生物質氣化焦油脫除方法研究進展

陶君

（大唐環境產業集團股份有限公司，北京100097）

生物質氣化焦油脫除方法研究進展

陶君

（大唐環境產業集團股份有限公司，北京100097）

焦油是當前生物質熱解和氣化技術中存在的一個主要問題，焦油中的可凝結組分會在溫度降低時發生冷凝，從而堵塞并污染下游過程單元，并且會造成環境污染。因此，對于生物質熱解和氣化技術來說，焦油的脫除與轉化是關鍵問題。據此，對生物質氣化焦油的脫除方法進行詳細闡述。

生物質；焦油；脫除方法

在眾多生物質利用技術中，氣化技術被認為是前景最好的。因為氣化后的氣體產物不僅可以直接用于供熱、供氣和發電，還可以用于合成甲醇、二甲基乙醚和汽油等液體燃料。

但在生物質氣化過程中，除了會得到目標產物以外，還會不可避免地伴隨著焦油的生成，焦油會在溫度降低時發生冷凝，從而堵塞并污染下游過程單元（如汽輪機或燃氣機），并且會造成環境污染，嚴重地限制了生物質氣化技術的發展。因此，開發高效低成本的焦油脫除方法勢在必行。

1 焦油的危害

焦油對生物質氣化技術發展的限制主要體現在以下4個方面：①焦油極易在溫度降低時發生冷凝，冷凝后的焦油又易與灰塵、焦炭和水等粘結形成極其粘稠的物質，從而堵塞并腐蝕系統管道及終端使用設備，這將嚴重威脅設備的安全運行，甚至會導致整個系統癱瘓；②由于焦油難以燒盡，并且會在燃燒過程中生成炭黑，所以不對燃氣中的焦油進行處理，將會嚴重損害燃氣設備；③焦油所含的能量一般占生物質總能量的5%～15%[1]，所以焦油的存在會降低生物質能源的利用效率[2]；④焦油中含有大量的有毒物質，如苯、甲苯、二甲苯、萘等，這些物質都會嚴重危害人體健康，同時也會對環境構成威脅。

2 生物質氣化焦油的脫除方法

焦油問題一直是限制生物質氣化技術大規模應用的主要問題，因此要想盡一切辦法來脫除焦油。目前，常用的焦油脫除方法主要是物理脫除法和熱化學轉化法。

2.1 物理脫除法

物理脫除法分為濕式凈化法和干式凈化法。濕式凈化法一般只用來脫除冷卻后產氣（氣體溫度20～60℃）中的焦油。而干式凈化法則主要用來脫除冷卻前產氣（氣體溫度約500℃）中的焦油，也有學者將其用于脫除冷卻后產氣（氣體溫度約200℃）中的焦油。表1給出了物理脫除法中常用的設備[3]。雖然物理脫除法可以將焦油脫除，但卻無法將焦油轉化，會造成焦油能量的浪費。

表1 物理脫除法常用設備

2.2 熱裂解法

熱裂解法是指在一定溫度和一定停留時間下，使產氣中的焦油裂解為小分子氣體。

熱裂解法是使焦油分子在高溫下通過斷鍵脫氫、脫烷基以及一些其他自由基反應轉變成小分子氣體或其他化合物。因此，溫度對焦油熱裂解具有顯著的影響。隨著熱裂解溫度升高，焦油轉化率和氣體產物的產率都會逐漸增大。但要想實現焦油的高效轉化，熱裂解溫度至少要在900℃以上[4]；而要想實現焦油的完全轉化，熱裂解溫度則至少要在1 250℃以上[5]。由此可見，在使用熱裂解法時，需要在很高的溫度下才能實現焦油的完全轉化。但過高的溫度不僅要求制造設備的材料要具有耐高溫的性質，而且還要求設備要具有良好的保溫措施。這不僅會增加成本，還會大幅度增加能耗。所以，通過單純升高溫度的方法來提高焦油轉化率是不經濟的。

2.3 催化轉化法

催化轉化法則是指在生物質氣化過程中或在下游催化反應器內加入催化劑，對焦油進行催化轉化，從而將焦油轉化成小分子氣體。

相對于熱裂解法，催化轉化法可以在較低溫度下實現焦油的高效轉化。焦油催化轉化從20世紀80年代中葉就已開始研究。催化轉化法主要包括催化裂解法和催化水蒸氣重整法。催化裂解法是指在生物質氣化反應器內加裝催化劑或在氣化反應器的下游加裝一個內置催化劑的裂解反應器，焦油會在催化劑的作用下被催化轉化成小分子物質。而催化水蒸氣重整法則是在催化裂解法的基礎上，向裝有催化劑的反應器中通入一定量的水蒸氣，焦油會在催化劑的作用下與水蒸氣快速反應，從而被轉化成小分子氣體產物。相對于催化裂解法，催化水蒸氣重整法可以進一步提高生物質氣化過程的氣體產率及產氣中氫氣的含量，還可以根據產氣的用途來調節產氣的組成（通過水蒸氣的通入量來控制），從而實現生物質的高效利用，所以催化水蒸氣重整法是目前應用前景最好的生物質焦油脫除方法。

對于催化裂解法和催化水蒸氣重整法來說，催化劑的選取至關重要。目前常用的催化劑主要為天然礦石催化劑、堿金屬催化劑、鎳基催化劑及貴金屬催化劑。在這些催化劑中，鎳基催化劑是目前國內外比較常用的焦油轉化催化劑，也是得到研究最多的一類催化劑。由于烴類物質中的C-C鍵和C-H鍵十分易于在鎳表面被活化，所以鎳基催化劑對焦油催化轉化的活性較高。鎳基催化劑在催化轉化焦油的同時，還可以催化分解產氣中的NH3，從而降低產氣中NH3的含量。在對鎳基催化劑研究的早期，主要使用的是雷尼鎳（又稱蘭尼鎳）催化劑。雷尼鎳在使用初期可以有效地催化轉化焦油，但會由于積碳問題而導致快速失活，從而限制了該類鎳基催化劑的使用。

為了在保證催化活性的基礎上提高鎳基催化劑的抗積碳能力和機械強度，研究人員嘗試將不同材料作為催化劑載體。其中，金屬氧化物是得到研究較多的一類載體。而在金屬氧化物中，使用最多的則是氧化鋁。由于氧化鋁具有較高的比表面積，因此可以提高鎳在載體表面的分散性，從而提高催化劑的活性。雖然在使用氧化鋁作為載體時，鎳的分散性及催化劑整體的機械強度得到了提高，但是在使用過程中催化劑表面的鎳還會由于積碳的生成而導致快速失活。除了氧化鋁以外，堿金屬氧化物也被用來作為鎳基催化劑的載體，如MgO和CaO等。當使用MgO和CaO作為載體時，鎳基催化劑的表面性質可以得到有效改善，抗積碳能力也可以得到部分增強。另外，鎳還會與MgO之間產生較強的相互作用，而且鎳的分散性也會得到提高[6]，但是積碳問題仍然沒有得到有效解決。因此，學者開始尋找可以有效解決鎳基催化劑積碳問題的金屬氧化物載體。經過大量嘗試后，發現CeO2和ZrO2是較為理想的選擇。因為二者都具有良好的氧化還原特性，可以為催化劑表面的積碳提供足夠的氧，從而促使積碳轉化成CO，達到降低積碳量的目的。CeO2除了可以用作載體以外，還可以用作助劑。在作為助劑時，催化劑的活性和抗積碳能力都會得到提高。在之后的研究過程中，學者發現有些金屬物質可以與鎳一起作為活性組分來制備催化劑，如Co、Mo和Fe。與Co和Mo相比，Fe與Ni共同作為活性組分的研究是最多的。在催化劑制備過程中，Ni與Fe同樣可以形成Ni-Fe合金。Fe在催化劑中會起到助劑作用，可以在重整反應過程中增加催化劑表面的氧覆蓋度，從而促進焦油轉化并抑制積碳生成。

雖然上述各類鎳基催化劑都具有較高的催化活性和穩定性，但在實際應用過程中，催化劑的經濟性是決定其能否得到商業化應用的重要條件。而上述鎳基催化劑的制備成本都相對較高，所以都沒有得到大范圍推廣。

3 結語

當前，比較常用的焦油脫除方法主要是物理法和熱化學轉化法。其中，物理法并不能實現焦油的真正轉化，而且會造成環境污染和能源浪費。而熱化學轉化法則可以實現焦油的真正轉化，不但可以提高生物質的利用效率，還可以減輕生物質熱解和氣化過程中生成的焦油所造成的環境污染。但是，熱化學轉化法中的熱裂解法需要外界提供較高的熱量才能實現焦油的轉化，所以該方法的經濟性較差，且操作不便。而催化裂解法相對于熱裂解法來說，其具有較高焦油的轉化率和較好經濟性。但催化裂解法中所使用的催化劑卻存在著各種各樣的問題。因此，仍需對催化劑進行進一步的研究，從而找出催化活性高、抗積炭能力強、經濟性好的催化劑。

[1]李大中,劉曉偉.生物質氣化焦油脫除過程參數優化方法[J].節能技術,2008,3(26):255-258.

[2]Rabou LPLM.Biomass tar recycling and destruction in a CFB gasifier[J].Fuel,2005,84(5):577-581.

[3]Anis S,Zainal ZA.Tar reduction in biomass producer gas via mechanical,catalytic and thermal methods:A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(5):2355-2377.

[4]Phuphuakrat T,Namioka T,Yoshikawa K.Tar removal from biomass pyrolysis gas in two-step function of decomposition and adsorption[J].Applied Energy,2010,87(7):2203-2211.

[5]Han J,Kim H.The reduction and control technology of tar during biomass gasification/pyrolysis:An overview[J].Renewable &Sustainable Energy Reviews,2008,12(2):397-416.

[6]Kong M,Fei J,Wang S,et al.Influence of supports on catalytic behavior of nickel catalysts in carbon dioxide reforming of toluene as a model compound of tar from biomass gasification[J].Bioresource Techn ology,2011,102(2):2004-2008.

Research Progress on Removal Method of Biomass Gasification Tar

Tao Jun
(Datang Environmental Industry Group Limited by Share Ltd,Beijing 100097)

Tar is one of the main problems of biomass pyrolysis and gasification technology,condensation of the sub - condensation group in the tar occurs when the temperature is lowered,thereby block and pollute the downstream process units,and cause environmental pollution.Therefore,the removal and transformation of tar is a key problem in the process of biomass pyrolysis and gasification.Based on this,the method of removal of tar from biomass gasification was described in detail.

Biomass;Tar;Removal method

TK61

A

2096-0387（2016）06-0078-03

陶君（1986-），男，黑龍江雙鴨山人，工程師，從事燃煤電站煙氣污染物治理研究。