適于區(qū)域生物質(zhì)特性的生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進展

聶鑫蕊,殷 科,孫 軍

(上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070)

· 綜 述 ·

適于區(qū)域生物質(zhì)特性的生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進展

聶鑫蕊,殷 科,孫 軍

(上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070)

基于我國生物質(zhì)綜合利用行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析，進行生物質(zhì)發(fā)電、生物沼氣、生物質(zhì)成型燃料以及生物液體燃料的市場發(fā)展前景和技術(shù)發(fā)展趨勢的綜合比較，進而聚焦于生物質(zhì)氣化技術(shù)，梳理出其主體發(fā)展路線研究進展，結(jié)合區(qū)域生物質(zhì)特性，總結(jié)出最適于當?shù)厣镔|(zhì)特性的生物質(zhì)氣化發(fā)展技術(shù)，從而進一步推進生物質(zhì)能行業(yè)發(fā)展和技術(shù)開發(fā)。

生物質(zhì)能行業(yè)發(fā)展生物質(zhì)氣化技術(shù)；區(qū)域生物質(zhì)特性；技術(shù)路線

我國生物質(zhì)能分布廣泛、產(chǎn)量豐富，可永續(xù)利用，具有環(huán)境友好和可再生雙重屬性，發(fā)展?jié)摿薮?。通過先進、成熟和高效的轉(zhuǎn)換技術(shù)，將其生產(chǎn)成使用方便、無污染的氣體燃料、固體燃料和液體燃料，替代化石能源，減少溫室氣體排放，是我國發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的長期目標。目前我國生物質(zhì)能行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢。

1 生物質(zhì)能行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)中國工程院咨詢報告統(tǒng)計，國內(nèi)各類清潔能源的資源量及占比排序中，生物質(zhì)占首位，其資源量是水電的2倍和風電的3.5倍。我國的生物質(zhì)能源蘊含豐富，可作為能源利用的生物質(zhì)資源總量每年約4.6億噸標準煤，目前已利用量約2 200萬噸標準煤，還有約4.4億噸可作為能源利用。我國的生物質(zhì)能市場仍具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前，我國對生物質(zhì)能的發(fā)展主要集中在發(fā)電、生物沼氣、生物質(zhì)成型燃料、生物液體這四個方面[1]，見表1。

生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)，主要有三種成熟的形式:生物質(zhì)直燃發(fā)電、沼氣發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電，其中發(fā)展最為成熟的是生物質(zhì)直燃發(fā)電。2013年全國生物質(zhì)直燃發(fā)電項目200余項，并網(wǎng)容量7 790兆瓦，上網(wǎng)電量356億千瓦時[2]。由于我國生物質(zhì)資源較為分散，大型直燃電廠的燃料收集成本較高，發(fā)電成本太高已成為我國秸稈直燃發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的主要障礙，從全國來看，我國生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)目前呈現(xiàn)出行業(yè)保持快速增長、發(fā)電成本增加導致行業(yè)陷入困難，不同技術(shù)獲得的收益不同的特點。

生物沼氣行業(yè)，我國沼氣產(chǎn)業(yè)始于70年代，現(xiàn)在處于第3個高峰發(fā)展期。主要有兩個發(fā)展方向：(1)農(nóng)村戶用沼氣系統(tǒng)(小型化)，目前該技術(shù)已經(jīng)成熟；(2)養(yǎng)殖場沼氣工程(大型化)。我國戶用沼氣技術(shù)目前正在向大中型化工程發(fā)展，需要進一步加強自主創(chuàng)新[3]。

表1 我國生物質(zhì)能應用規(guī)模與發(fā)展目標Tab.1 Scale and develop target of biomass energy application in China

注：1GW=109W=106kW; 1Mt=106t；1Mm3=106m3。

液體燃料行業(yè)，中國生物液體燃料研發(fā)的種類為：燃料乙醇、生物柴油、生物質(zhì)熱解液化，氣化合成燃料，其中以燃料乙醇、生物柴油產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較為成熟。對于生物柴油來說，廉價、來源穩(wěn)定的原料供應不足成為了阻礙生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大的問題[4]。從資源可持續(xù)供給和取得根本性技術(shù)突破的角度看，生物質(zhì)熱解液化、生物質(zhì)氣化合成燃料具有更加寬泛的資源基礎(chǔ)和廣闊的發(fā)展應用前景，但目前技術(shù)尚處于實驗研究階段，整個行業(yè)面臨著原料難規(guī)?；?、受政策干預較強特點，產(chǎn)業(yè)鏈亟待整合。

成型燃料行業(yè)，由于國家的政策正在大力推行生物質(zhì)成型燃料行業(yè)，成型燃料市場有望井噴式發(fā)展，預計到2020年成型燃料產(chǎn)量將達到5 000萬噸，同時有52萬臺中小燃煤鍋爐需要7.2億噸標煤替代[5]。但由于技術(shù)壁壘較低，目前該行業(yè)已經(jīng)趨于飽和，未來發(fā)展應通過與生物質(zhì)發(fā)電等產(chǎn)業(yè)多聯(lián)產(chǎn)以提高能源利用效率。

從整個生物質(zhì)綜合利用行業(yè)來看，生物質(zhì)能綜合利用行業(yè)發(fā)展前景廣闊，生物質(zhì)能五大行業(yè)處于各個技術(shù)齊驅(qū)共同發(fā)展時期[6]。生物質(zhì)發(fā)電相較于其他行業(yè)，技術(shù)壁壘高，且行業(yè)商業(yè)模式趨于成熟化，因此可以作為進入生物質(zhì)綜合利用領(lǐng)域的切入點。從規(guī)?；パa考慮上，綜合考慮資源稟賦和生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟特點，我國生物質(zhì)資源相對集中地區(qū)可優(yōu)先發(fā)展大中型生物質(zhì)直燃/混燃發(fā)電和生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項目(10 MW以上)，生物質(zhì)資源相對分散區(qū)域可靈活發(fā)展中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電(10 MW以下)技術(shù)。

2 生物質(zhì)氣化技術(shù)研究進展

生物質(zhì)綜合利用行業(yè)內(nèi)的主要技術(shù)類型，包括生化法、熱化學法、液化學法、直接燃燒法、物理化學法。生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出多元化的技術(shù)體系，分別涉及原料、轉(zhuǎn)化工藝、生物質(zhì)能產(chǎn)品以及終端利用的多樣化，本文根據(jù)不同的終端利用，將詳細技術(shù)路線及對應的生物質(zhì)能行業(yè)發(fā)展，如表2，通過總結(jié)對比可以看出熱化學法中氣化技術(shù)是適用范圍最為廣泛的技術(shù)，其后期產(chǎn)物包括燃氣、電力、液體燃料，避免了其它技術(shù)后端產(chǎn)品單一化的局面，增強了其技術(shù)發(fā)展的經(jīng)濟性[7]。

表2 生物質(zhì)能行業(yè)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景Tab.2 Technology and industry development prospect of biomass industry

續(xù)表2

2.1 生物質(zhì)氣化技術(shù)原理

氣化是通過生物質(zhì)在高溫(800℃～900℃)下不完全氧化將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為 CO、H2、CH4及 CO2等氣態(tài)混合物的過程。依據(jù)在氣化器中發(fā)生的不同熱化學反應，可以從上至下依次分為干燥層、熱解層、氧化層和還原層四個區(qū)域。氣化工藝采用不同原料和吹入氣體(空氣、氧氣和水蒸汽)所產(chǎn)生的可燃氣成分各不相同，應用路線也不同。

氣化爐是氣化反應的主要設(shè)備。生物質(zhì)在氣化爐中完成了氣化反應過程，并轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃氣。目前，國內(nèi)外正研究和開發(fā)的生物質(zhì)氣化設(shè)備按原理主要分為固定床氣化爐和流化床氣化爐。固定氣化爐適用于1MW以下分布式能源系統(tǒng)，流化床氣化爐更適用于大規(guī)模(1MW以上)，達到規(guī)模效應，進而體現(xiàn)其經(jīng)濟性。因此可根據(jù)應用技術(shù)的工程規(guī)模以及后端應用的氣化焦油含量要求，來進行爐型的選擇。

2.2 生物質(zhì)氣化主體路線梳理

生物質(zhì)氣化后端產(chǎn)品多樣化，包括了熱力、燃氣、發(fā)電以及合成化學品等多種產(chǎn)品市場[8]，國內(nèi)外在近年來紛紛開展生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究，并取得了階段性成果[9]，整個生物質(zhì)氣化行業(yè)處于工程示范階段。

目前，通過國內(nèi)外生物質(zhì)氣化示范項目梳理，通過不同適用規(guī)模和市場，進行了生物質(zhì)氣化領(lǐng)域的主體技術(shù)路線梳理。

2.2.1 面向分布式能源市場

(1)固定床氣化分布式發(fā)電技術(shù)路線，主要面對生物質(zhì)資源較為分散的農(nóng)村地區(qū)，主體的工藝組成模板：進料系統(tǒng)、固定床氣化爐、氣體凈化裝置、儲氣罐、內(nèi)燃機。國內(nèi)代表企業(yè)為山東能源所，國外代表企業(yè)為丹麥的BWV公司氣化熱電聯(lián)供系統(tǒng)、芬蘭Corbona公司熱電系統(tǒng)、加拿大Nexterra公司的熱電系統(tǒng)[10]、丹麥TUD的700kW的熱電聯(lián)產(chǎn)示范項目[11]；(2)固定床氣化供熱技術(shù)路線，主要面向供熱需求較大的企業(yè)或是工業(yè)園區(qū)，主體的工藝組成模板：進料系統(tǒng)、固定床氣化爐、鍋爐，該技術(shù)路線的經(jīng)濟成本較低，投資回報期較短，目前發(fā)展態(tài)勢良好，國內(nèi)代表性企業(yè)為廣州能源所的7MW混流式固定床氣化共燃系統(tǒng)[12-13]。

2.2.2 面向燃煤鍋爐共燃，合成燃料系統(tǒng)等兆瓦級中大型規(guī)模市場

(1)流化床氣化發(fā)電技術(shù)路線，主要面向1MW以上規(guī)模的氣化發(fā)電、熱電聯(lián)供，主體的工藝組成模板：進料系統(tǒng)、流化床氣化爐、氣體凈化裝置、燃氣輪機+冷凝器，國內(nèi)主要代表企業(yè)為廣州能源所的6MW谷殼氣化發(fā)電系統(tǒng)[14]，國外代表為瑞典VARNAMO企業(yè)的18MW BIGCC系統(tǒng)，F(xiàn)oster Wheeler的50MW循環(huán)流化床氣化系統(tǒng)[15]，Mesto公司8MW雙流化氣化爐。與燃煤鍋爐共燃，國內(nèi)主要代表項目為國電長源集團的10.8MW的氣化共燃項目；(2)流化床氣化合成液體燃料技術(shù)路線，目前技術(shù)仍處于技術(shù)研發(fā)階段，國內(nèi)主要代表為凱迪電力，主體生產(chǎn)工藝包括：氣化工序、脫二氧化碳工序、脫硫工藝、費托合成工序、產(chǎn)品加氫工序。

3 區(qū)域生物質(zhì)特性分析

通過實地調(diào)研項目所在區(qū)域——安徽省五河縣，在最佳運輸半徑50km[16]以內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要糧食作物耕作面積、平均畝產(chǎn)量以及當?shù)氐母鱾€糧食作物的草谷比，通過計算，得到了走訪鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要糧食作物耕作面積、產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量，可以得到當?shù)刂饕斩掝悇e為小麥、玉米、水稻，比例為40%∶40%∶20%。

為方便不同區(qū)域之間的生物質(zhì)資源的調(diào)配，同時適當擴大運輸半徑[17]，生物質(zhì)顆粒成型燃料作為當?shù)厣镔|(zhì)發(fā)電項目的主要燃料來源，因此依據(jù)當?shù)亟斩挼闹饕壤ㄖ粕镔|(zhì)成型燃料，來作為本次氣化技術(shù)路線制定的主要燃料輸入，對于區(qū)域生物質(zhì)散料和成型燃料的展開基礎(chǔ)分析，從而有利于確定最終的氣化工藝技術(shù)路線。

(1)工業(yè)分析

首先，根據(jù)《GB/T 28731-2012》的工業(yè)分析試驗方法針對顆粒狀混合成型燃料進行了工業(yè)分析，得到散料和成型燃料的工業(yè)分析結(jié)果，同時與上海稻稈、稻稈顆粒試驗參數(shù)進行對比(見表3)，安徽稻稈和玉米稈的工業(yè)分析結(jié)果較為接近，灰分含量明顯高于木質(zhì)類生物質(zhì)，因此在氣化轉(zhuǎn)化工藝的設(shè)計過程中應充分考慮灰的結(jié)渣問題。

表3 各試樣工業(yè)分析結(jié)果Tab.3 Industrial analysis results of different sample (%)

(2)元素分析

元素分析主要關(guān)注N和S這兩種與污染物關(guān)系密切的元素，通過元素分析結(jié)果(見表4)可見秸稈類生物質(zhì)的元素組成與松木的區(qū)別不大，但N和S含量明顯高于木質(zhì)類生物質(zhì)，因此在轉(zhuǎn)化過程中應尤其關(guān)注氮氧化物的生成情況。

表4 各試樣元素分析結(jié)果Tab.4 elementary analysis results of different sample (%)

(3)熱值

生物質(zhì)熱值的測量有相應的國標方法，也可以通過理論計算得到，公式為門捷列夫公式，主要通過生物質(zhì)固態(tài)燃料的各元素含量百分比來進行計算得到。

QH=4.187×[81C+300H-26(O-S)]

(1)

QL=QH-6×(9H+W)×4.187

(2)

其中個符號代表含義：QH：高位熱值，kJ/kg、QL：低位熱值，kJ/kg。C、H、O、S分別代表了該元素在樣料中所占質(zhì)量百分比，W則為原料中的水分含量。以上表4的試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行計算，可得相應的熱值結(jié)果，如表5所示。

表5 各試樣熱值數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.5 Heat value results of different sample (kJ/kg)

通過整理元素分析、工業(yè)分析、熱值等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可見安徽稻稈和玉米稈的揮發(fā)分含量分別高達63.70%和67.87%，因此氣化過程中熱解階段氣體和液體產(chǎn)物的析出量應較大，需要關(guān)注焦油產(chǎn)物的組成規(guī)律[18]。元素分析結(jié)果顯示，相比木片，安徽稻稈和玉米稈的N元素含量要高得多，分別達到了0.600%和0.830%，在氣化爐工藝參數(shù)的設(shè)計過程中需要關(guān)注NO的生成，燃料熱值有助于我們進行生物質(zhì)氣化技術(shù)應用規(guī)模的選擇。

4 基于區(qū)域生物質(zhì)特性的生物質(zhì)氣化技術(shù)路線選擇

通過當?shù)馗鬣l(xiāng)鎮(zhèn)的實地調(diào)研的各類秸稈產(chǎn)量，結(jié)合相應計算熱值，可得到一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的秸稈能夠提供的熱輸入功率為800kW/h～1000kW/h，同時考慮到當?shù)匾延?5MW×2規(guī)模以上的生物質(zhì)直燃電廠，因此綜合考慮當?shù)厣镔|(zhì)資源量以及規(guī)?；パa，最終選定生物質(zhì)氣化技術(shù)路線面向的是分布式能源系統(tǒng)(1MW以下)，則固定床氣化爐作為該規(guī)模的最適宜的選擇。結(jié)合上文中生物質(zhì)氣化技術(shù)路線的梳理可以看出，目前行業(yè)發(fā)展較為成熟的即固定床氣化分布式發(fā)電技術(shù)，同時后端燃氣利用以發(fā)電為主，對于氣化燃氣焦油含量(≤100mg/Nm3)[19]要求較為嚴格，為拓寬后端燃氣利用奠定了基礎(chǔ)。

基于后端燃氣利用對于焦油含量的嚴格要求以及固定床氣化爐主體爐型的研發(fā)趨勢，選擇了兩段式固定床氣化爐作為主體研發(fā)爐型。兩段式氣化爐是丹麥DTU大學[20]提出，基于將氣化過程中熱解與還原區(qū)分離的理念，在熱解與氣化之間噴入加熱空氣，使部分熱解氣在喉口處被燃燒，在喉口段產(chǎn)生局部高溫，由此達到大量脫除焦油，提高氣化氣品質(zhì)的目的。該爐型與其他固定床氣化爐相比，具有氣化燃氣焦油含量低(≤50mg/Nm3)、有效回用內(nèi)燃機尾氣、氣化氣凈化工藝簡單(爐內(nèi)脫焦)、系統(tǒng)占地面積小等優(yōu)點[21]。最終基于區(qū)域生物質(zhì)特性，確定了兩段式氣化爐分布式發(fā)電的技術(shù)路線，該技術(shù)路線的主要組成部分為進料系統(tǒng)、兩段式氣化爐、氣體凈化裝置、儲氣罐、內(nèi)燃機，可以此為基礎(chǔ)來推進生物質(zhì)氣化發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

5 結(jié) 論

(1)從整個生物質(zhì)綜合利用行業(yè)來看，生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)商業(yè)模式趨于成熟化，因此可作為進入生物質(zhì)綜合利用領(lǐng)域的切入點，生物質(zhì)直燃發(fā)電和氣化發(fā)電可根據(jù)區(qū)域資源特性來進行規(guī)?；パa的技術(shù)選擇。

(2)從生物質(zhì)綜合利用行業(yè)內(nèi)的主要技術(shù)類型來看，氣化技術(shù)是適用范圍最為廣泛的技術(shù)，其后期產(chǎn)物包括燃氣、電力、液體燃料，增強了其技術(shù)發(fā)展的經(jīng)濟性。

(3)面向分布式能源市場，主體技術(shù)路線為固定床氣化分布式發(fā)電，面向兆瓦級中大型規(guī)模市場，主體技術(shù)路線為流化床氣化發(fā)電技術(shù)、流化床氣化燃煤鍋爐共燃、流化床氣化合成液體燃料技術(shù)路線。

(4)通過區(qū)域?qū)嵉財?shù)據(jù)調(diào)研和成型燃料的基礎(chǔ)性質(zhì)分析，當?shù)刂饕斩掝悇e為小麥、玉米、水稻，比例為40%∶40%∶20%，相較于木片，當?shù)亟斩挼膿]發(fā)分含量和N元素含量較高，需在系統(tǒng)工藝設(shè)計中進行優(yōu)化設(shè)計。

(5)基于調(diào)研區(qū)域的生物質(zhì)資源量、規(guī)?；パa以及后期燃氣利用拓展，確立兩段式氣化爐分布式發(fā)電的技術(shù)路線為最適宜推進調(diào)研區(qū)域的生物質(zhì)氣化發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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Research Progress on Biomass Gasification Technology Fit for Regional Biomass Features

NIE Xin-rui,YIN Ke,SUN Jun

(ShanghaiElectricGroupCo.,Ltd.CentralAcademe,Shanghai200070,China)

Based on analysis of current development of comprehensive utilization of biomass industry in our country, the market prospects and technology development trend of biomass power generation, biogas, biomass briquette, and biology liquid fuel were comprehensively compared, then focused on biomass gasification technology, teased out the main research progress, and combining with regional characteristics of biomass, summed up the biomass gasification technology which is most suitable for local biomass features , thus, further promote the development of biomass industry and technology development.

Biomass industry development；biomass gasificationtechnology； area biomass features；technology route

2016-11-11

聶鑫蕊(1990-)，女，河南信陽人，2014年畢業(yè)于中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境經(jīng)濟與管理專業(yè)，碩士，工程師，研究方向為生物質(zhì)氣化，產(chǎn)業(yè)生態(tài)學、生命周期評價。

X17

A

1001-3644(2017)02-0155-06