生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用與氣化爐選擇

李仁貴

（安徽華東化工醫(yī)藥工程有限責(zé)任公司 合肥 230031）

生物質(zhì)資源包括各種果樹(shù)枝條、果殼和各種農(nóng)林加工剩余物（秸稈、稻殼等）等。在我國(guó)，由于其資源豐富，品種多樣，用途廣泛，生物質(zhì)資源已經(jīng)得到較為廣泛的利用。生物質(zhì)氣化比煤氣化更麻煩一些，主要挑戰(zhàn)是氣化溫度不足夠高時(shí)產(chǎn)生的焦油含量高，給后續(xù)凈化工藝帶來(lái)麻煩?，F(xiàn)在的固定床和流化床都外加焦油分解反應(yīng)器，能達(dá)到減少焦油的目的。與煤物質(zhì)資源比較，生物質(zhì)具有自身物質(zhì)結(jié)構(gòu)和生物特性的特殊性，目前國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)相對(duì)成熟的技術(shù)主要有循環(huán)流化床氣化技術(shù)和固定床氣化技術(shù)兩種，本產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目技術(shù)方案選用生物質(zhì)秸稈成型技術(shù)及固定床連續(xù)氣化技術(shù)生產(chǎn)生物合成氣（燃?xì)猓?/p>

1 氣化爐型的選擇

以生物質(zhì)秸軒為原料采用低壓、高溫氣化的方法生產(chǎn)合成氣（燃?xì)猓?，?jīng)過(guò)多重凈化的合成氣輸送至氣柜儲(chǔ)存供后工序使用。合成氣產(chǎn)自氣化爐，并依次流經(jīng)以下主要設(shè)備：秸軒收集→秸軒粉碎→秸軒干燥→秸軒成型→氣化爐→雙豎管吸收塔→ 一級(jí)電捕焦油器→洗滌塔→ 二級(jí)電輕捕焦油器→脫硫塔→濕式儲(chǔ)氣柜。其中氣化系統(tǒng)中固定床氣化爐設(shè)計(jì)和設(shè)備選型是工藝技術(shù)成敗的關(guān)鍵。

固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式、橫吸式及開(kāi)心式氣化爐種類(lèi)型。下吸式固定床氣化爐的特征是氣體和生物質(zhì)物料混合向下流動(dòng)。通過(guò)高溫喉管區(qū)（只有下吸式設(shè)有喉管區(qū)）。生物質(zhì)在喉管區(qū)發(fā)生氣化反應(yīng)，而且焦油也可以木炭床上進(jìn)行裂解。一般情況下，下吸式固定床氣化爐不設(shè)爐柵，但如果原料尺寸較小也可設(shè)爐柵。此種氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行比較可靠，適于較干的大塊物料或低灰分大塊同少量粗糙顆料的混合物料。目前國(guó)內(nèi)規(guī)?；纳虡I(yè)運(yùn)行案例很少。上吸式固定床氣化爐的特點(diǎn)是氣體的流動(dòng)方向與物料運(yùn)動(dòng)方向相反，在氣化過(guò)程中，原料在生物質(zhì)氣化爐內(nèi)自上向下要依次經(jīng)過(guò)干燥、干餾（熱解）、還原和氧化四個(gè)階段，以及相關(guān)各層主要的反應(yīng)式見(jiàn)下圖所示。向下流動(dòng)的生物質(zhì)原料被向上流動(dòng)的熱氣體烘干、裂解。在氣休爐底部，固定碳與空氣中的氧氣進(jìn)行不完全燃燒、氣化，產(chǎn)生可燃?xì)怏w。上吸式固定床氣化爐的熱效率比其它固定床氣化爐的高。且對(duì)原料要求不很?chē)?yán)格。橫吸式固定床氣化爐的特點(diǎn)是空氣由側(cè)方向供給，產(chǎn)出氣體由側(cè)向流出。氣體流橫向通過(guò)燃燒氣化區(qū)。它主要用于木炭氣化。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)規(guī)?；纳虡I(yè)運(yùn)行案例。 開(kāi)心式固定床化爐同下吸式相似，氣流同物料一起向下流動(dòng)。但是由轉(zhuǎn)動(dòng)爐柵代替了喉管區(qū)。主要反應(yīng)在爐柵上部的燃燒區(qū)進(jìn)行。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且運(yùn)行可靠。目前國(guó)內(nèi)規(guī)模化的商業(yè)運(yùn)行案例很少。

圖1 上吸式固定床氣化爐工作原理示意圖

本產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目生產(chǎn)工藝采用連續(xù)式固定床氣化技術(shù)，采用專(zhuān)有技術(shù)的生物質(zhì)氣化燃?xì)獍l(fā)生爐，以經(jīng)壓制成型的生物秸軒作為氣化原料，使用空氣與水蒸氣的混合氣為氣化劑生產(chǎn)合成氣 。爐內(nèi)物料床由下向上分為：灰渣層、氧化層、還原層、干餾層和干燥層。其中灰渣層有預(yù)熱氣化劑的作用： 正常運(yùn)行時(shí)維持高溫氣化的熱能主要由在氧化層燃燒掉的部分秸軒放熱提供，氧化層最高溫度通常在800-1000℃：還原層中主要發(fā)生高溫氣化還原反應(yīng) ，生成可燃合成氣體； 干餾層中秸軒則在一定的溫度下析出揮發(fā)分及其他干餾產(chǎn)物；最上層的干燥層可使秸稈原料中的水分受熱蒸發(fā) 。發(fā)生爐產(chǎn)生的氣化氣、干餾氣及焦油等混合氣由爐體頂部排出進(jìn)入合成氣凈化系統(tǒng)。干合成氣熱值約為 7.5-8MJ/Nm3。燃?xì)獍l(fā)生爐由上中下三部分組成，上部包括給料機(jī) 、爐蓋和撥火孔等；中部為爐體外殼 、蒸汽水套和爐筐；下部包括灰盤(pán)及傳動(dòng)裝置 、通風(fēng)箱、排渣刀等。本項(xiàng)目氣化過(guò)程用作氣化劑的空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入氣化劑入爐管，來(lái)自蒸汽集氣器的水蒸氣通過(guò)止逆閥與空氣混合并流經(jīng)發(fā)生爐底部鼓風(fēng)箱入爐，發(fā)生爐的氣化溫度可通過(guò)調(diào)節(jié)飽和溫 度的高低即蒸汽量的大小來(lái)加以控制 ?？諝鈮毫s為100mmHg，采用孔板流量計(jì)測(cè)量給風(fēng)量。給風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有專(zhuān)門(mén)的空氣鼓風(fēng)機(jī)間 。本項(xiàng)目的灰渣由發(fā)生爐自動(dòng)落入干式灰箱，機(jī)械化出灰裝置將灰渣從銷(xiāo)箱輸出，隨后由機(jī)械傳動(dòng)將灰渣運(yùn)出。

2 合成氣的凈化

合成氣經(jīng)發(fā)生爐氣體出口進(jìn)入雙豎管吸收塔被噴淋水清洗降溫，除去大部分灰塵和部分焦油，溫度由 150-250℃（由原料性質(zhì)及氣化負(fù)荷確定）降至 70℃左右。出豎管后經(jīng)隔離水封去一級(jí)電捕焦油器，脫除所夾帶的大部分焦油霧。隨后，合成氣進(jìn)入洗滌塔分別經(jīng)熱水和冷水噴淋洗滌，去除殘留焦油、灰塵以及水分，洗滌塔出來(lái)的合成氣溫度降至 35℃ 左右。洗滌塔后設(shè)置二級(jí)電捕焦油器，進(jìn)一步捕獲合成氣中的殘余焦油，使合成氣中焦油的含量低于 10mg/Nm3。秸軒合成氣的硫化氫含量一般較低，故采用常壓濕法堿液脫疏，出塔硫化氫含量小于20mg/Nm3。為確保后工序的平穩(wěn)生產(chǎn)，凈化后的合成氣送氣柜儲(chǔ)存。本項(xiàng)目裝置工藝水循環(huán)設(shè)備有冷卻塔、冷水池、熱水槽、沉淀槽 、隔油浮選罐、曝氣罐和水泵等。水循環(huán)系統(tǒng)分為：冷循環(huán)、熱循環(huán)和水處理循環(huán)，均采用不銹鋼等材料制作。冷循環(huán)水由冷循環(huán)泵自冷水池抽出，加壓送至洗滌塔上部冷段，壓力為 4kg/cm3左右，溫度為 30-35℃。在洗滌塔中通過(guò)噴頭將水淋灑在填料上形成液膜與合成氣充分接觸，在使合成氣降溫的同時(shí)水溫升至 45℃左右。這部分水然后流入冷卻塔被冷卻并流回冷水池。冷循環(huán)水比較干凈，且仍可適時(shí)補(bǔ)充新鮮水控制水質(zhì) ，多余的冷循環(huán)水流入熱水池進(jìn)入熱水循環(huán)。熱循環(huán)水由熱循環(huán)泵加壓后分別打入雙豎管頂部 、洗滌塔中下部熱段以及水封中，溫度約為50℃。熱循環(huán)水在雙豎管中噴淋而下，經(jīng)與熱合成氣熱交換后溫度上升至 60℃左右，這部分水與洗滌塔底部流出的污水均匯入沉淀隔油池，經(jīng)澄清處理之水流入熱水池循環(huán)使用。長(zhǎng)期循環(huán)使用后，灰粒、焦油和其他雜質(zhì)會(huì)逐漸富集熱循環(huán)水中，將不定期地引入較為干凈的冷循環(huán)水，同時(shí)，部分熱循環(huán)水將進(jìn)入水處理循環(huán)系統(tǒng)， 處理畢重流回?zé)崴h(huán)系統(tǒng)，達(dá)到控制熱循環(huán)水質(zhì)的目的。生產(chǎn)過(guò)程中部分熱循環(huán)水進(jìn)入水處理系統(tǒng)，經(jīng)沉淀隔油、浮選和曝氣組合工藝處理后回用。因重力差異，沉淀隔油池?zé)崴斜戎匦∮?1的焦油雜質(zhì)上浮至水面，大 于1的其他機(jī)械雜質(zhì)沉于池底，分別定期予以分離去除。在平流式浮選池中注入凝聚劑并以細(xì)泡形式鼓入空氣 ，水中的乳化油顆粒將附在氣泡表面一起浮升至水面，便于分離。經(jīng)隔油浮選的循環(huán)水最后進(jìn)入生化曝氣池，其中的有機(jī)物被微生物降解去除，控制參數(shù)為：pH 6-9 、溫度約 38℃，經(jīng)上述步驟處理后，水質(zhì)明顯改善，可回到熱水循環(huán)系統(tǒng)繼續(xù)使用。因不屬外排水，水處理的要求指標(biāo)不高。發(fā)生爐水套用水為軟化水，軟水由蒸汽集氣器下降管流入水套，受熱部分汽化， 形成的汽水混合物通過(guò)上升管到達(dá)集氣器，分理出的水蒸汽經(jīng)止逆閥與空氣氣化劑合 流進(jìn)入氣化爐。氣化副產(chǎn)物產(chǎn)生的灰渣即草木灰，可以采用混合其它有機(jī)肥或化學(xué)肥料制成生物質(zhì)碳基肥外售 。秸軒焦油擬作為燃料或化工原料外售。

3 結(jié)語(yǔ)

生物質(zhì)能具有資源分布廣、環(huán)境影響小、清潔可持續(xù)利用等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的可再生能源，能源與消費(fèi)總量?jī)H次于煤炭、石油、天然氣，位居第四位。隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視能源的清潔循環(huán)利用，我國(guó)目前能源供需矛盾尖銳，結(jié)構(gòu)不合理；能源利用效率低；一次能源消費(fèi)以煤為主，化石能源的大量消費(fèi)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。滿(mǎn)足持續(xù)快速增長(zhǎng)的能源需求和能源的清潔高效利用，對(duì)能源科技發(fā)展提出重大挑戰(zhàn)。目前，生物質(zhì)資源被認(rèn)為是代替化石資源的最佳選擇。目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)工業(yè)化實(shí)際運(yùn)行的生物質(zhì)固定床氣化爐有Φ3000mm、Φ3200mm、Φ3600mm、Φ4000mm等幾種規(guī)模，依據(jù)不同生物質(zhì)的理化特性差異，氣化爐的氣化強(qiáng)度一般可達(dá)到600～800Nm3/m2.h。Φ3000mm的生物質(zhì)固定床氣化爐單爐的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)氣量約為4500～5000Nm3/h；Φ4000mm氣化爐單爐的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)氣量約為8000～10000Nm3/h。本產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目設(shè)備的選型原則是側(cè)重性?xún)r(jià)比、先進(jìn)性和高能效，除生物質(zhì)固定床氣化爐為專(zhuān)利設(shè)備外無(wú)特殊要求的設(shè)備，設(shè)備材料選型已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。