生物質(zhì)熱解氣化技術

董玉平，郭飛強，董 磊，強 寧，景元琢

(1.山東大學，濟南 250061;2.山東百川同創(chuàng)能源有限公司，濟南 250101)

1 前言

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源資源的消耗速度也迅速增長，而煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源資源日益枯竭，人類迫切需要開發(fā)可再生的能源資源以補充和替代現(xiàn)有的化石能源。生物質(zhì)能作為重要的環(huán)境友好的可再生能源，受到國內(nèi)外的重視，被視為繼煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源。

生物質(zhì)熱解氣化可將生物質(zhì)原料轉化為以CO和H2為主的氣體燃料，可直接轉換實現(xiàn)燃氣、熱能和電能的供給。同時燃氣可以通過甲烷化反應，進而制備高品質(zhì)生物質(zhì)合成天然氣(Bio-SNG)，是生物質(zhì)能開發(fā)的重要技術途徑[1，2]。

我國生物質(zhì)能資源儲量巨大，僅農(nóng)作物秸稈約7億t/a，折合標準煤約為3億t/a;全國每年可提供3.3億t林木生物質(zhì)，相當于2億t的標準煤。如能將這些生物質(zhì)資源通過熱解氣化轉化為氣體燃料，可以取代大量的化石能源，緩解我國對常規(guī)能源的依存度。同時，生物質(zhì)能利用是自然界的碳循環(huán)的一部分，過程中實現(xiàn)CO2的零排放，屬于可再生清潔燃料[3，4]。

2 國外熱解氣化技術發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀70年代開始，生物質(zhì)能的開發(fā)利用研究已成為世界性的熱門研究課題，國外尤其是發(fā)達國家的科研人員在相關領域做了大量的工作。

美國有生物質(zhì)發(fā)電站350多座，分布在紙漿、紙產(chǎn)品加工廠和其他林產(chǎn)品加工廠，主要研究采用生物質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(B/IGCC)，生物質(zhì)能發(fā)電的總裝機容量已超過10000 MW，單機容量達10～25 MW，發(fā)電總量已達到美國可再生能源發(fā)電裝機的40%以上、一次能源消耗量的4%。

德國目前擁有140多個區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)的生物質(zhì)電廠，此外有近80個處于規(guī)劃設計或建設階段，茵貝爾特能源公司(Imbert Energietechnik GMBH)設計制造的下吸式氣化爐-內(nèi)燃機發(fā)電機組系統(tǒng)，氣化效率可達60% ～90%，燃氣熱值為1.7萬～2.5萬kJ/m3。

芬蘭是世界上利用林業(yè)廢料、造紙廢棄物等生物質(zhì)發(fā)電最成功的國家之一，福斯特威勒公司是芬蘭最大的能源公司，主要利用木材加工業(yè)、造紙業(yè)的廢棄物為燃料，廢棄物的最高含水量可達60%，機組的熱效率可達88% ，所制造的燃燒生物質(zhì)的循環(huán)流化床鍋爐技術先進，可提供的生物質(zhì)發(fā)電機組功率為3～47 MW。

瑞典和丹麥正在實行利用其豐富的生物質(zhì)進行熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)劃，使生物質(zhì)能在提供高品位電能的同時，滿足供熱的要求，瑞典地區(qū)供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)所消耗的能源中，生物質(zhì)能比例已經(jīng)超過26%[5～9]。

3 熱解氣化技術與裝備現(xiàn)狀

生物質(zhì)熱解氣化裝備系統(tǒng)主要包括氣化爐、燃氣凈化系統(tǒng)和終端利用系統(tǒng)三部分。

3.1 氣化爐工作機理及裝備現(xiàn)狀

氣化爐是生物質(zhì)熱解氣化的主要工作設備，原料在氣化爐內(nèi)與氣化劑發(fā)生不完全燃燒反應，過程大體可以分為裂解反應、氧化反應和還原反應，主要反應過程如式(1)～(6)所示[10～12]。

反應(1)和(2)為氧化反應，發(fā)生在氧化層，反應過程中釋放出大量的熱能，是整個氣化反應過程的熱量來源。反應(3)至(6)為還原反應，且主要為吸熱反應，是CO和H2形成的主要階段，其中C和水蒸氣是主要的反應物，也是影響生物質(zhì)燃氣質(zhì)量的關鍵因素。

借助于氧化反應產(chǎn)生的熱能，氣化爐的熱分解層的溫度保持在400～600℃，大分子鏈生物質(zhì)原料斷裂，是生物質(zhì)焦油產(chǎn)生的階段。下吸式固定床氣化爐生成的焦油將通過氧化層和還原層，借助于兩層的高溫，實現(xiàn)焦油的燃燒和熱解，可以轉化為氣體小分子，主要發(fā)生的裂解反應為式(7)和式(8)，其中式(7)發(fā)生在氧化層，為焦油的燃燒反應;式(8)發(fā)生在還原層，主要反應對象為水蒸氣。

由此可以看出，氣化爐反應過程中，氧氣的供給可以對反應溫度進行調(diào)控，從而控制反應過程及其生成物;水蒸氣作為還原反應和焦油裂解重整反應的主要參與物，對于提高燃氣質(zhì)量、降低焦油含量具有重要的意義。此外反應時間、催化劑等也是控制氣化反應過程的主要參數(shù)。

國內(nèi)應用的生物質(zhì)氣化爐主要包括流化床和下吸式固定床兩種類型，其中流化床具有反應速度快、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點，然而其具有結構比較復雜、設備投資較大、對原料種類和粒度要求嚴格等缺點，目前主要應用于稻殼和林木加工剩余木粉的發(fā)電。下吸式固定床氣化爐具有原料適應范圍廣、焦油含量低等優(yōu)點，在國內(nèi)推廣應用較為廣泛。山東百川同創(chuàng)能源有限公司研發(fā)了可以連續(xù)運行的下吸式固定床反應器，采用主動配風技術，其主要結構原料如圖1所示。

圖1 主動配風氣化爐結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of gasification under active air distribution

根據(jù)氣化爐內(nèi)反應溫度和燃氣質(zhì)量，主動控制氣化劑供給量，系統(tǒng)設計開發(fā)了溫度實時監(jiān)控和反饋控制系統(tǒng)，根據(jù)反應溫度主動控制氣化劑的供給，使熱解氣化反應始終保持在最優(yōu)的區(qū)間內(nèi)，以玉米秸稈為原料，典型工況下燃氣組分和焦油含量如表1所示，氣化爐最大產(chǎn)氣量達到2000 m3/h，滿足MW級氣化發(fā)電的要求。

表1 主動配風氣化爐燃氣組分Table 1 The gas composition of the gasifier under active air distribution

3.2 燃氣凈化系統(tǒng)

近年來焦油催化裂解成為重要的研究方向，國內(nèi)外學者開展了大量的試驗研究，目前尚不具備工程化應用水平，實際工程中焦油脫除的方法主要采用機械脫除技術。機械除焦法主要包括干式除焦、濕式除焦，其中濕式除焦是用水將可燃氣中的部分焦油帶走，主要設備是噴淋塔。干式除焦又稱過濾法，是依靠慣性碰撞、攔截、擴散以及靜電力、重力等作用，使懸浮于流體中的固體顆粒沉積于多孔體表面或容納于多孔體中。

國外生物質(zhì)氣化項目一般主要以木材為氣化原料，廣泛采用干式與濕式相結合的除焦技術，技術較為成熟。國內(nèi)目前主要采用濕式凈化技術，多家單位在相關技術領域進行了研究開發(fā)，形成一些典型的凈化裝備系統(tǒng)，并已在民用供氣中推廣應用。

國內(nèi)典型的水洗凈化技術是山東大學開發(fā)的集噴淋、水浴、水膜及沖擊于一體的濕式凈化器，采用特殊的氣液室，液體經(jīng)機械噴霧形成大小不同的水滴，捕捉燃氣中的灰塵和焦油;同時，在壓力的強制作用下產(chǎn)生沖擊而形成泡沫，利用重力和擴散等機理，使焦油液滴在氣泡中沉降。燃氣流通過凈化器時，絕大部分的焦油被捕獲，同時高溫燃氣被冷卻，焦油含量小于10 mg/m3。

然而濕式凈化技術會產(chǎn)生含焦油的污水，導致二次污染的產(chǎn)生。針對這一難題，相關研究機構提出采用化學溶劑替代常用的水作為燃氣凈化介質(zhì)，避免水洗二次污染的產(chǎn)生。目前，國外典型代表為荷蘭ECN研發(fā)的OLGA，采用溶劑洗滌的方式，去除焦油等雜質(zhì)[13～15]。

國內(nèi)，山東大學與山東百川同創(chuàng)能源有限公司聯(lián)合研發(fā)了基于化學吸收的燃氣凈化技術，其主要工作原理如圖2所示。根據(jù)焦油凝結點不同，實現(xiàn)典型特性焦油的分級去除，溶劑與焦油分離并實現(xiàn)溶劑的循環(huán)利用，凈化后燃氣中的焦油和灰分含量達到10 mg/m3以下。該技術已在伊春氣化發(fā)電、沈陽軍區(qū)集中供氣等項目中應用實施[16]。

4 前沿技術研究

4.1 新型氣化工藝技術研究

4.1.1 富氧氣化技術

以空氣為氣化劑，生物質(zhì)氣化燃氣熱值僅為5000 kJ/Nm3，品質(zhì)較差，主要是由于燃氣中含有約50%的N2所致。若采用富氧氣體作為氣化劑，可以降低燃氣中N2的含量，同時富氧氣化可增加氧化層的厚度，釋放大量的反應熱，提高整個氣化反應過程中的溫度，使更多的焦油通過燃燒和熱解脫除。

圖2 基于化學吸收的燃氣凈化技術工作原理Fig.2 Working principle of biomass gas purification system based on chemical absorption

國外在生物質(zhì)富氧氣化技術方面研究較多，主要針對流化床氣化爐，氧氣的濃度達到99%以上，整個氣化過程在高壓下進行，典型的有瑞典的MINO生物質(zhì)氣化項目，建立了富氧氣化中試系統(tǒng)，爐內(nèi)氣壓達到30個大氣壓，采用循環(huán)流化床結構，處理量為500 kg/h，技術較為復雜，要求有相應的制氧設備，且電耗較高，成本也較高。西班牙塞維利亞大學Alberto Gómez-Barea等學者采用雙流化床反應器，研究采用膜法富氧控制氣化劑中的氧氣含量，氣化效率和燃氣熱值得到了明顯的提高[17]。

浙江大學清潔能源利用國家重點實驗室，搭建了小型試驗臺，采用富氧氣化，控制反應過程中的反應溫度，提高一次性熱解氣化的燃氣熱值，燃氣的熱值達到 9000 kJ/m3[18]。

山東大學研究采用膜法富氧制氣與生物質(zhì)熱解氣化技術相結合，研制出膜法富氧生物質(zhì)氣化中試裝備，提高氣化反應速度和氣化爐氣化能力，燃氣熱值由5000 kJ/m3提高到9000 kJ/m3。同時提高了氧化區(qū)的爐溫，更多的焦油高溫裂解成小分子氣體，減少了氣化過程中焦油的生成量。

研究證明，富氧氣化技術對于燃氣熱值的提高具有明顯的效果，然而成本較高，反應過程需要嚴格控制，防止燃氣燃燒損失，相應的裝備系統(tǒng)尚處于研究試驗階段。

4.1.2 蒸汽氣化技術

水蒸氣是生物質(zhì)還原反應和焦油裂解反應的主要反應物，采用水蒸氣作為氣化劑，還原反應(4)至(6)和(8)被加強，生產(chǎn)燃氣中H2和CO含量將大幅增加，蒸汽氣化一般配合兩段式裂解重整，可以制取富H2燃氣，并實現(xiàn)燃氣中絕大部分焦油的裂解轉化。

典型的蒸汽氣化為奧地利維也納科技大學學者Stefan Koppatz采用雙流化床蒸汽氣化制取富H2燃氣，其工藝結構如圖3所示，生物質(zhì)首先以蒸汽為氣化劑對木質(zhì)生物質(zhì)進行氣化，氣化產(chǎn)生的碳粉進入燃燒反應器，與空氣發(fā)生燃燒反應，為氣化階段提供反應所需熱量，并促進焦油的熱裂解[19]。

圖3 兩段式蒸汽氣化反應示意圖Fig.3 Schematic diagram of two －stage steam gasification

國內(nèi)大連理工大學 Gao Ningbo等人采用多孔陶瓷介質(zhì)作為裂解反應器，配合上吸式蒸汽熱解氣化制取富氫氣燃氣，試驗研究了相關影響參數(shù)對燃氣質(zhì)量的影響作用，在小試試驗情況下，燃氣中H2的含量可以達到50%以上[20]。

以蒸汽重整為基礎形成兩段式熱解氣化，一段實現(xiàn)燃氣的高效氣化的同時，另一端實現(xiàn)燃氣重整和焦油裂解，可以在不降低燃氣生產(chǎn)效率的前提下，提高燃氣品質(zhì)，降低焦油含量，是生物質(zhì)熱解氣化的重要研究方向，對于降低燃氣中焦油含量，提高燃氣品質(zhì)具有重要意義。

4.2 生物質(zhì)天然氣制備技術

生物質(zhì)燃氣主要成分為H2和CO，屬于熱值較低的燃氣，燃氣進一步通過甲烷化反應合成CH4，可以制備高品質(zhì)的生物質(zhì)合成天然氣，目前在煤氣化技術中，燃氣甲烷化制備富CH4氣體已經(jīng)進行了深入的研究，然而，對于生物質(zhì)燃氣相關技術研究剛剛起步。

奧地利Güssing在2008年成功運行了基于流化床甲烷化、利用生物質(zhì)雙流化床氣化產(chǎn)生的合成氣，經(jīng)過脫除焦油、脫硫、脫氮后，生產(chǎn)了達到天然氣品質(zhì)的Bio-SNG，是世界上首次示范利用生物質(zhì)熱解氣化路線生產(chǎn)Bio-SNG的成套完整工藝，工藝流程如圖4所示。生物質(zhì)原料首先通過雙流化床氣化，產(chǎn)生生物質(zhì)燃氣，燃氣經(jīng)過凈化系統(tǒng)脫除灰分、焦油和其他雜質(zhì)后，進入流化床甲烷化反應器，進行甲烷化反應生成Bio-SNG。

圖4 Güssing雙流化床氣化制備Bio－SNG示范工程流程Fig.4 The Güssing process of double fluidized bed for Bio－SNG

國內(nèi)對于相關技術還處于試驗研究階段。Bio-SNG中CH4濃度超過70%以上，則熱值將達到25080 kJ/m3以上，可以替代常規(guī)天然氣，提供民用、車用和工業(yè)用能[21～23]。

5 我國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向

國家“十一五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃綱要提出“未來將建設生物質(zhì)發(fā)電550萬kW裝機容量”;《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》確定:到2020年生物質(zhì)發(fā)電裝機要達到3000萬kW。生物質(zhì)能逐漸成為我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分，生物質(zhì)熱解氣化產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化開發(fā)是必然趨勢。

1)氣化與直燃相結合生物質(zhì)發(fā)電工程。我國生物質(zhì)直燃發(fā)電技術項目已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，建立了直燃發(fā)電廠150余家，截至2008年底，國能15家生物發(fā)電廠已生產(chǎn)“綠色電力”26億kW·h。生物質(zhì)熱解氣化技術以其規(guī)模適度、啟動靈活、原料收集半徑小等優(yōu)點，可與大型直燃發(fā)電優(yōu)勢互補，建設形成10 MW以下規(guī)模的生物質(zhì)氣化發(fā)電項目，完成生物質(zhì)發(fā)電的規(guī)模與空間布局。

2)生物質(zhì)合成天然氣制備技術的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。我國2020年預計天然氣缺口預計將達到1000億m3，Bio-SNG中甲烷濃度能夠達到70%以上，其熱值約為7000 kcal/m3，可以作為民用、車用燃氣。若每年實現(xiàn)3億t生物質(zhì)資源的轉化開發(fā)，可以生產(chǎn)形成約1200億m3Bio-SNG，因此Bio-SNG的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)可有效彌補我國天然氣資源的不足。

6 行業(yè)發(fā)展相關建議

目前我國生物質(zhì)熱解氣化整體技術水平仍落后于歐美發(fā)達國家，在裝備規(guī)模、技術先進性以及行業(yè)市場競爭力等方面還存在諸多問題，盈利能力尚不足以與化石燃料競爭，這也直接阻礙我國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1)建議加大在生物質(zhì)熱解氣化領域的技術研發(fā)力度，逐步實現(xiàn)富氧氣化、富蒸汽氣化的技術完善，使之具備工程化轉化的條件，提高燃氣的品質(zhì)和市場競爭力，為行業(yè)發(fā)展提供技術支撐。

2)建議開展生物質(zhì)熱解氣化裝備的大型化、系列化、標準化研究，提高燃氣制備系統(tǒng)的設計和制造能力，并通過建立典型示范工程，推動生物質(zhì)燃氣生產(chǎn)工程的規(guī)模化應用。

3)根據(jù)我國生物質(zhì)資源分布特點，因地制宜建立分布式能源供給系統(tǒng)和規(guī)模化生物質(zhì)熱/電工程，滿足典型地域的能源需求。

7 結語

我國具有儲量巨大的農(nóng)林生物質(zhì)資源，通過熱解氣化技術轉化為清潔燃氣，可替代天然氣等化石燃料實現(xiàn)燃氣、熱能和電能的供給。目前我國生物質(zhì)熱解氣化技術經(jīng)過二十余年的發(fā)展，行業(yè)已初具規(guī)模，逐步完成了民用分布式生物質(zhì)燃氣供應系統(tǒng)的示范和布局，初步具備了規(guī)模化燃氣制備和發(fā)電的產(chǎn)業(yè)技術基礎。項目的投資主體已開始從政府福利性項目轉向社會商業(yè)資本的投入。

現(xiàn)階段我國生物質(zhì)熱解氣化技術工藝裝備與我國的生物質(zhì)能中長期發(fā)展規(guī)劃要求和進度嚴重不符。因此“十二五”期間，具有顯著提高燃氣質(zhì)量的富氧氣化、蒸汽氣化、甲烷化制備Bio-SNG等技術將成為重要的研究方向，裝備設計制造的大型化、規(guī)范化和標準化成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然。

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