生物質(zhì)熱解氣化與煤氣化過程的差異分析

代 瑋

(武漢江漢化工設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430223)

生物質(zhì)作為一種可再生能源已經(jīng)越來越受到關(guān)注，其通過氣化過程將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成氣體能源,是生物質(zhì)能源利用的重要途徑之一。在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的主要是瑞典、丹麥、奧地利、德國、美國和加拿大等西方發(fā)達(dá)國家，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其生物質(zhì)氣化技術(shù)取得了較大的成就。目前,生物質(zhì)氣化爐主要有固定床、流化床、氣流床等類型，各種爐型在國外都有一些應(yīng)用實(shí)例，規(guī)模大小不一。國內(nèi)經(jīng)過近30年的努力，也開發(fā)出了包括固定床、流化床、循環(huán)流化床等爐型的生物質(zhì)氣化爐，但與國外相比仍有不小差距。

氣化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)過程，涉及到傳熱傳質(zhì)等過程，以及各反應(yīng)關(guān)系的平衡，這些關(guān)系的變化都可能對(duì)氣化過程產(chǎn)生影響。生物質(zhì)氣化雖和煤氣化過程有一定相似之處，但由于生物質(zhì)性質(zhì)獨(dú)特，導(dǎo)致氣化過程與煤氣化存在一定差異。在氣化反應(yīng)中,需考慮這些特質(zhì)對(duì)氣化過程的影響。

1 生物質(zhì)和煤的主要性質(zhì)比較

生物質(zhì)是通過光合作用生成的有機(jī)化合物，其主要元素成分有碳、氫、氧、氮、硫，這和煤的組成相似。碳在燃料中有兩種存在形式:一種是與氫、氧、硫等元素組成的高分子有機(jī)化合物，受熱時(shí)以揮發(fā)物的形式析出；另一種是以單質(zhì)形式存在的固定碳。固體生物質(zhì)的含碳量一般在44%～58%之間，比煤的含碳量要低，例如褐煤含碳量在60%～75%，無煙煤的含碳量則達(dá)到了85%以上。生物質(zhì)氧元素含量也很高，通常高于40%。氧和生物燃料中一部分碳或氫結(jié)合成化合物，使可燃元素減少，降低了發(fā)熱量。一些生物質(zhì)和煤炭的元素組成見表1。

表1 一些生物質(zhì)和煤炭的元素組成(干基%)

生物質(zhì)的工業(yè)分析包括水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳。和煤炭相比，生物質(zhì)的揮發(fā)分含量高，一般在70%以上，著火和燃燒容易。生物質(zhì)中的固定碳是指除去水分、灰分和揮發(fā)分后的殘留物，由于生物質(zhì)揮發(fā)分含量高，固定碳含量相對(duì)也就比較低。部分生物質(zhì)的工業(yè)分析結(jié)果見表2。

表2 部分生物質(zhì)的工業(yè)分析結(jié)果

2 生物質(zhì)熱解氣化過程

生物質(zhì)是一種特殊的燃料，揮發(fā)分極高，占到燃料比重的70%～80%。生物質(zhì)在200℃時(shí)就開始熱解，在熱解過程中大分子向簡單分子化合物轉(zhuǎn)化，溫度越高轉(zhuǎn)化得越徹底，因此要熱解完全，需要盡量維持較高的熱解溫度。根據(jù)鍵能的大小，生物質(zhì)在熱解過程中依次生成H2O、CO2、CO、輕烴、CH4、焦油和液體、H2等，溫度越高,氣體產(chǎn)物越多，因?yàn)樵诟邷叵陆褂桶l(fā)生二次裂解，最終生成不凝氣體產(chǎn)物。因此，如果想獲得較多的氣體產(chǎn)物，減少焦油的產(chǎn)量，就要盡量維持較高的溫度和一定的停留時(shí)間。在常規(guī)氣化反應(yīng)中，CO2是氣化反應(yīng)過程的產(chǎn)物之一，但生物質(zhì)揮發(fā)分含量較高，通過高溫?zé)峤饧瓷闪舜罅緾O2，合成氣中相當(dāng)一部分CO2來自于揮發(fā)分的熱解，而非氣化反應(yīng)。

從氣化角度來分析，為了促進(jìn)生物質(zhì)中C轉(zhuǎn)化為CO，需要維持適宜的氧量，控制合理的氣化區(qū)溫度，減少反應(yīng)過程中CO2的產(chǎn)生。對(duì)于生物質(zhì)氣化爐，熱量來自于氣化，理想情況下,希望通過氣化反應(yīng)將生物質(zhì)熱解出的殘?zhí)既繗饣蒀O，同時(shí)放出熱量以保證生物質(zhì)熱解需要。在氣化反應(yīng)過程中，O2和C先生成絡(luò)合物C3O4，再分解成CO和CO2，為了保證氣化溫度的需要，對(duì)氧氣的進(jìn)入量會(huì)進(jìn)行控制，一般氧氣量的增加會(huì)導(dǎo)致合成氣中CO2含量增加，因此,在常規(guī)的氣化反應(yīng)中，往往通過CO2的含量來輔助分析爐溫及工況。通常要求在滿足工藝的前提下，盡可能限制CO2生成。但是,即便是對(duì)特定的爐型，當(dāng)燃料性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致各參數(shù)的變化，除非燃料完全一樣，但這對(duì)于固體燃料來說幾乎是不可能的。當(dāng)燃料灰分含量增加時(shí)，燃料的發(fā)熱量會(huì)降低，在氣化過程就需要通過增加氧耗來產(chǎn)生更多的熱量加熱灰分；同樣,當(dāng)燃料水分含量增加時(shí)，消耗了氣化過程中產(chǎn)生的熱量，為了避免爐溫降低，就要增加氧量，但同時(shí)水蒸氣在高溫下也會(huì)分解出氧，和C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO和H2，即降低了氧耗，這是一個(gè)相互影響的過程。

合成氣中CO和H2含量還受爐內(nèi)變換反應(yīng)過程的影響。由于生物質(zhì)干燥工藝和干燥成本的限制，預(yù)干燥后的生物質(zhì)含水量仍偏高。在氣化爐高溫的條件下，生物質(zhì)中的水變成水蒸氣，水蒸氣和碳、CO發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生CO、CO2和H2，盡管變換過程可以增加合成氣中的氫氣含量，但水蒸氣的進(jìn)入會(huì)降低爐溫。

溫度也是影響生物質(zhì)熱解氣化反應(yīng)的重要因素之一。溫度越高，生物質(zhì)熱解越完全，且提高溫度可以大大加快氣化反應(yīng)速率，但是溫度太高對(duì)設(shè)備不利，因此,要在設(shè)備承受的范圍內(nèi)控制適宜的溫度。

3 生物質(zhì)氣化和煤氣化反應(yīng)過程的差異

對(duì)于不同的氣化裝置、工藝流程、反應(yīng)條件，氣化反應(yīng)過程不完全相同。但從宏觀上來看，都分為燃料干燥、熱解、氧化、還原4個(gè)階段。生物質(zhì)揮發(fā)分高、固定碳低、含氧量高的特性，影響了生物質(zhì)氣化過程。

在煤的氣化過程中，一般可以通過氣體成分來初步判斷爐況，根據(jù)CO2、CH4在合成氣中的組成趨勢(shì)變化來調(diào)整氧化劑含量，控制爐溫。相對(duì)于生物質(zhì)來說，煤的性質(zhì)穩(wěn)定，揮發(fā)分含量低，氣體成分的變化主要受氣化反應(yīng)過程的影響，如碳的氧化反應(yīng)、碳和水蒸氣的變換反應(yīng)等，因此,當(dāng)氣化劑給入量穩(wěn)定時(shí)，氣體成分較穩(wěn)定，波動(dòng)幅度小。而生物質(zhì)的揮發(fā)分高、活性好，只要在高溫情況下，即使沒有氣化劑，也會(huì)熱解生成大量的H2、CO、CO2、CH4等氣體。在煤氣化過程中，合成氣的組成變化主要受氣化反應(yīng)進(jìn)程的影響，氣化劑的變化將直接影響化學(xué)反應(yīng)的量，直接表現(xiàn)就是合成氣產(chǎn)量和成分的變化。而在生物質(zhì)氣化過程中，合成氣產(chǎn)量和成分的變化與生物質(zhì)熱解的關(guān)系更大，氣化只是作為一種補(bǔ)充，促進(jìn)了生物質(zhì)能源向氣體能源的轉(zhuǎn)化，提高了轉(zhuǎn)化效率。最終生物質(zhì)中只有約15%的固定碳需要通過和氧的反應(yīng)轉(zhuǎn)換成CO或CO2。

在煤氣化過程中，我們通過控制氧氣配入量，讓碳和氧氣發(fā)生不完全氧化還原反應(yīng)生成CO，當(dāng)氧氣過量時(shí)，就會(huì)生成CO2，因?yàn)镃O2是后工序所不需要的產(chǎn)物，因此希望盡可能將CO2含量控制到最低，氧化劑的富余量一般只是為了滿足氣化工藝的需要。而在生物質(zhì)氣化過程中，由于生物質(zhì)自身含有大量的氧元素，在熱解中就會(huì)產(chǎn)生CO、CO2、H2等氣體，即這些氣體的產(chǎn)生已不是僅受氣化反應(yīng)過程的影響，更大程度上是取決于進(jìn)入爐內(nèi)的燃料熱解量的多少，因此,在分析氣體成分的變化和氣化反應(yīng)的相互影響關(guān)系時(shí)，不能忽視生物質(zhì)熱解在整個(gè)過程中的重要作用。熱解過程對(duì)分析氣體成分變化和氣化反應(yīng)的關(guān)系時(shí)產(chǎn)生了極大的干擾。

生物質(zhì)氣化和煤氣化在過程原理上雖然有許多相通性，但不能簡單套用煤氣化理論來分析生物質(zhì)氣化的反應(yīng)過程。通過開展生物質(zhì)氣化試驗(yàn)，從大量收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中也可以觀察到生物質(zhì)氣化和煤氣化反應(yīng)控制上的差異。因工況的調(diào)整導(dǎo)致的氣體成分變化,不能簡單認(rèn)為是氣化反應(yīng)因素影響，而應(yīng)該從熱解和氣化的角度分別加以綜合分析。

4 結(jié)語

(1)生物質(zhì)氣化不同于煤氣化，在生物質(zhì)氣化爐中，熱解的影響不能忽視。合成氣中許多有效氣成分(如H2、CO、CO2)來自于熱解，并非來自于氣化過程。

(2)較高爐溫對(duì)熱解或氣化反應(yīng)都是有利的，不僅可以加快氣化反應(yīng)速率，也使生物質(zhì)熱解得更完全。與此同時(shí)，H2和殘?zhí)嫉漠a(chǎn)量增加，包括CH4等烴類物質(zhì)的含量減少。但過高的溫度需要將更多的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為熱能，且設(shè)備的運(yùn)行條件變苛刻，因此,在選擇爐溫的最佳運(yùn)行指標(biāo)時(shí),要兼顧效率、經(jīng)濟(jì)性等因素。

(3)在對(duì)生物質(zhì)特性充分了解的基礎(chǔ)上，參考煤氣化的成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，可以逐步開發(fā)出適合生物質(zhì)氣化的氣化爐，這對(duì)推動(dòng)國內(nèi)的生物質(zhì)利用具有重要意義。