中国生物质气化技术的研究和发展现状

收稿日期：２００７０３０１基金项目：国家８６３项目（２００６ＡＡ０５Ｚ２４３）；山东省科学基金（２００３Ｅ０１）；山东省科学技术发展计划项目（２００４ＧＧ４２０７０１８）；山东省科学技术发展计划项目（２００６ＪＹ２２）作者简介：董玉平（１９４９），男，教授，主要从事可再生能源尤其是生物质能方面的研究．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]文章编号：１６７２３９６１（２００７）０２０００１０７中国生物质气化技术的研究和发展现状董玉平１，邓波１，景元琢２，强宁２，申树云１（１．山东大学机械工程学院，山东济南２５００６１；２．济南百川同创实业有限公司，山东济南２５０１０１）摘要：生物质能是一种重要的可再生能源，利用生物质气化技术能实现ＣＯ２的归零排放，节约常规能源，符合可持续发展的要求．介绍了生物质气化的工艺特点和相关气化装置，阐述了生物质气化领域的重点研究方向，分析了我国生物质气化技术的商业化现状并提出了参考建议．关键词：生物质能；生物质气化；气化工艺；气化装置；商业化中图分类号：ＴＫ６文献标识码：ＡＡｒｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｂｉｏｍａｓｓｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａＤＯＮＧＹｕｐｉｎｇ１，ＤＥＮＧＢｏ１，ＪＩＮＧＹｕａｎｚｈｕｏ２，ＱＩＡＮＧＮｉｎｇ２，ＳＨＥＮＳｈｕｙｕｎ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｈａｎｄｏｎｇＪｉｎａｎ２５００６１，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｉｎａｎＢａｉｃｈｕａｎＴｏｎｇｃｈｕａｎｇＣｏｍｐａｎｙＬｔｄ．，Ｊｉｎａｎ２５０１０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｉｏｍａｓｓｅｎｅｒｇｙｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ．ＴｈｅｕｓｅｏｆｂｉｏｍａｓｓｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎａｃｈｉｅｖｅｚｅｒｏＣＯ２ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ，ｓａｖｉｎｇｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｐｒｏｃｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｉｏｍａｓｓｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌａｔｅｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｅｘｐｏｕｎｄｓｏｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆｂｉｏｍａｓｓｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｂｉｏｍａｓｓｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ’ｓｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＣｈｉｎａ．Ａｐｒｏｐｏｓｅｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍａｓｓｅｎｅｒｇｙ；ｂｉｏｍａｓｓｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ；ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ０前言能源和环境问题已成为全球关注的焦点，随着我国能源消耗的迅速增长，化石燃料的大量使用带来了严重的环境污染和生态破坏，煤、石油、天然气作为现阶段的主要能源，同时也是宝贵的有机化工的原料，资源量日益减少，我国普遍用作燃料的方式造成了很大的浪费．开发洁净的可再生能源成为了可持续发展的迫切需要．与此同时，生物质能在可再生能源中，是地球上唯一能够储存和可运输的清洁能源，资源量大，分布广，开发潜力巨大．从化学的角度上看，生物质的组成是Ｃ—Ｈ化合物，它与常规的矿物能源如石油、煤等是同类（煤和石油都是生物质经过长期转换而来的），生物质是植物通过光合作用生成的有机物，包括农林废弃物（如秸秆、稻草、树枝等），薪柴，食品制糖工业的作物残渣，城市有机垃圾，能源作物，动物排泄物等，它的特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似性，可以充分利用已经发展起来的常规能源技术开发利用生第３７卷第２期Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．２山东大学学报（工学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＡＮＤＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＳＣＩＥＮＣＥ）２００７年４月Ａｐｒ．２００７物质能，这也是开发利用生物质能的优势之一．我国生物质能极为丰富，仅秸秆等农林生物质废弃物资源量年约７×１０８ｔ，相当于３．１×１０８ｔ吨标煤，但相当多的生物质被废弃和焚烧．我国于２００６年实施《中华人民共和国可再生能源法》，将生物质能等可再生能源的科学技术研究和产业化发展列为国家科技发展与高技术产业发展的优先领域【１】．１生物质气化技术概述１．１生物质气化原理生物质气化是在不完全燃烧条件下，利用空气中的氧气或含氧物质作气化剂，将生物质转化为含ＣＯ，Ｈ２，ＣＨ４等可燃气体的过程．目前气化技术是生物质热化学转化技术中最具实用性的一种，将低品位的固态生物质转化为高品位的可燃气体，可用于驱动内燃机、热气机发电，农用灌溉设备，用于炊事、采暖和作物烘干等．由于生物质原料由纤维素、半纤维素、木质素等组成，含氧量和挥发分都很高，活性较强，更有利于气化，根据气化介质和气化炉的不同，燃气热值也会发生变化．当采用空气作为气化剂进行气化时，燃气热值【２】将在４～１８ＭＪ?ｍ３的范围内变化．气化反应过程同时包括固体燃料的干燥、热分解反应、氧化反应和还原反应【３】．１．２生物质气化的工艺生物质气化根据所处的气化环境可分为空气气化、富氧气化、水蒸气气化和热解气化．空气气化技术直接以空气为气化剂，气化效率较高，是目前应用最广，也是所有气化技术中最简单、最经济的一种．由于大量氮气的存在，稀释了燃气中可燃气体的含量，氮气占到总体积的５０％～５５％，燃气热值较低，通常为５～６ＭＪ?ｍ３．可直接用于供气、工业锅炉等．富氧气化使用富氧气体做气化剂，在与空气气化相同的当量比下，反应温度提高，反应速率加快，可得到焦油含量低的中热值燃气，发热值一般在１０～１８ＭＪ?ｍ３，与城市煤气相当，但相应会增加制氧设备，电耗和成本都很高，在一定场合下，具有显著的效益，使生产的总成本降低．吴创之等【４】使用循环流化床富氧气化木粉得到最佳气化条件：氧气浓度（９０＋５）％，气化当量比约０．１５．富氧气化可用于大型整体气化联合循环（ＩＧＣＣ）系统、固体垃圾发电等．水蒸气气化是指在高温下水蒸气同生物质发生反应，涉及水蒸气和碳的还原反应，ＣＯ与水蒸气的变换反应等甲烷化反应以及生物质在气化炉内的热分解反应．燃气质量好，Ｈ２含量高（３０％～６０％），热值【５】在１０～１６ＭＪ?ｍ３，由于系统需要蒸汽发生器和过热设备，一般需要外供热源，系统独立性差，技术较复杂．现研究主要在流化床反应器内进行【６】．Ｇｉｌ等【７】在常压泡状流化床反应器内研究了空气、水蒸气和水蒸气－氧气三种不同的气化剂对气化产物的影响，发现以水蒸气为气化介质时，氢气的百分含量最高．热解气化不使用气化介质，又称为干馏气化，产生固定炭、液体（焦油）与可燃气，热值在１０～１３ＭＪ?ｍ３．１．３生物质气化反应设备生物质气化按照气化器中可燃气相对物料流动速度和方向不同，分为固定床气化和流化床气化两种．固定床气化炉中，物料发生气化反应是在相对静止的床层中进行，其结构紧凑，易于操作并具有较高的热效率．１．３．１固定床气化炉固定床气化炉具有一个容纳原料的炉膛和承托反应料层的炉栅．应用较广泛的是下吸式气化炉和上吸式气化炉．如图１和图２所示，下吸式气化炉中，原料由上部加入，依靠重力下落，经过干燥区后水分蒸发，进入温度较高的热分解区生成炭、裂解气、焦油等，继续下落经过氧化还原区将焦炭和焦油等转化为ＣＯ，ＣＯ２，ＣＨ４和Ｈ２等气体，炉内运行温度在４００～１２００℃左右，燃气从反应层下部吸出，灰渣从底部排出．下吸式气化炉工作稳定，气化产生的焦油在通过下部高温区一部分可被裂解为永久性小分子气体，使气体热值提高并降低了出炉燃气中焦油含量．上吸式气化炉中，原料移动方向与气流方向相反，气化剂由炉体底部进气口进入炉内参与气化，产生的燃气自下而上流动，由燃气口排出，出炉燃气灰分少，气化效率较高，但存在密封困难，添料不方便等问题．图１下吸式气化炉结构和原理Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｄｏｗｎｄｒａｆｔｇａｓｉｆｉｅｒ２山东大学学报（工学版）第３７卷图２上吸式气化炉结构和原理Ｆｉｇ．２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｕｐｄｒａｆｔｇａｓｉｆｉｅｒ１．３．２流化床气化炉流化床气化炉在吹入的气化剂作用下，物料颗粒、砂子、气化介质充分接触，受热均匀，在炉内呈“沸腾”状态，气化反应速度快，产气率高．与固定床相比，流化床没有炉栅，一个简单的流化床由燃烧室、布风板组成，气化剂通过布风板进入流化床反应器中．按气化器结构和气化过程，可将流化床分为鼓泡流化床和循环流化床，如图３和图４所示．图３鼓泡床原理Ｆｉｇ．３Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｂｕｂｂｌｉｎｇｂｅｄｇａｓｉｆｉｅｒ图４循环流化床原理Ｆｉｇ．４ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＣＦＢｇａｓｉｆｉｅｒ鼓泡流化床气化炉是最简单的流化床，气流速度较慢，比较适合颗粒较大的生物质原料，一般需增加热载体．而循环流化床气化炉在气体出口设有旋风分离器或袋式分离器，流化速度较高，适用于较小的生物质颗粒，通常情况下不需加流化床热载体，运行简单，有良好的混合特性和较高的气固反应速率．一般流化床气化炉反应温度控制在７００～９００℃【８，９】．１．３．３固定床气化炉与流化床气化炉适用范围流化床气化与固定床气化相比较，气化温度更均匀，气化强度更高，原料粒度要求小，对于连续运转，以木材加工厂下脚料和碾米厂的稻壳为原料的中小型气化发电系统比较适合．但同时由于流化床床层温度相对较低，焦油裂解受到抑制，产出气中焦油含量较高，用于发电需要复杂的净化系统，流化床内气流速度大，石英砂等惰性热载体与床壁易于磨损，燃料颗粒细小，产出气体中带出物较多，加重系统负担．固定床气化对原料适应性强，原料粒度要求不严格，反应区温度较高有利于焦油的裂解，出炉灰分相对较少，系统投资较循环流化床低，但固定床气化强度不高，一般是间歇式工作，在连续工作方面不如流化床，目前在农村集中供气供热系统和中小型气化发电中广泛应用．固定床气化炉与流化床气化炉都有各自的特点和一定的适用范围，如表１所示．固定床结构简单、操作便利，运行模式灵活，适用于中小规模生产；而流化床适合于工业化、大型化，设备较复杂、投资大．充分考虑目标市场的实际情况，选择技术路线，采用最适宜的技术．表１我国生物气化炉的主要种类和特点【１０】Ｔａｂｌｅ１ＴｈｅｍａｉｎｔｙｐｅｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｉｏｍａｓｓｇａｓｉｆｉｅｒｉｎＣｈｉｎａ【１０】气化炉类型上吸式固定床下吸式固定床流化床原料种类秸秆，废木秸秆，废木稻壳，木屑，秸秆粒度?ｍｍ５～１００２０～１００＜１０气化温度?℃～１１００～１０００６５０～８５０气化效率?％７０～７５７５６５～７５气化强度?（ｋｇ?ｍ２·ｈ）２００～３００２００～６００１０００～２０００应用领域锅炉供热集中供气，锅炉供热碾米厂，木材加工厂发电１．４生物质气体净化在气化炉反应过程中，燃气中带有一部分灰分和液态焦油，必须从中分离出来，避免堵塞管道．灰分的处理从技术角度分析较容易，通过提高气化效第２期董玉平，等：中国生物质气化技术的研究和发展现状３率，烧结成灰后较易处理，而焦油的处理则较复杂，在一定规模下可使用催化裂解，一般较可行的方式是物理化学法结合．目前适用生物质气化焦油的去除方法主要包括普通方法和催化裂解法，普通法除焦油可分为湿法和干法两种．湿法去除焦油是生物质气化燃气净化技术中最为普通的方法，包括水洗法和水滤法，它利用水洗燃气，使之快速降温从而达到焦油冷凝并从燃气中分离的目的．干法去除焦油是将吸附性强的物质（如炭粒，玉米芯等）装在容器中，当燃气穿过吸附材料和过滤器时，把其中的焦油过滤出来．催化裂解法是在一定温度下，使用白云石（ＭｇＣＯ３·ＣａＣＯ３）和镍基等催化剂把焦油分解成永久性小分子气体，裂解后的产物与燃气成分相似