生物质气化技术的研究进展

第13卷第3期中国水运Vo1.13No.32013年3 月China Water TransportMarch2013生物质气化技术的研究进展刘立新(武汉都市环保工程技术股份有限公司，湖北武汊430071 )摘要:生物质能是分布广泛、二氧化碳“零排放”的可再生能源，生物质气化技术是高效利用生物质能的技术之一。文中对生物质气化的原理，影响因素以及该技术面临的焦油这一-主要问题的解决方案进行阐述。关键词:生物质;气化;影响因素;焦油中图分类号: S216文献标识码: A文章编号: 1006-7973 (2013) 03-0074-02伴随着人类社会的不断进步,对能源的需求也日益增长。下可裂解为可燃气)和气态二氧化碳、水蒸气和可燃气(包然而现有能源中，占据主要地位的化石能源一煤、 石油、括氢气、-氧化碳和低分子烃类物质)，其反应方程式可表示天然气已面临资源匮乏的境地，且其大量使用引发的大气污为千生物质+热量→CO2+焦炭+焦油+可燃气+H2O;还原区染、光化学污染、酸雨、温室效应等一系列环境问题也让环主要发生热分解区产生的炭及大分子有机化合物与H2O及境保护面临巨大压力;其他能源利用也存在局限性，核能存CO2的反应;氧化区的反应为放热反应,释放的热量为其他在废料处理、安全及原料不可再生的瓶颈;可再生能源中太阶段的反应提供热源，保证反应顺利进行。实际气化过程中,阳能、风能的利用成本较高，大水电对生态系统存在潜在威上述三步反应并没有严格界线，生物质经历上述反应得到气胁，地热能、潮汐能有地域性的局限。而生物质能以其分布化初产品合成气,其组分是决定后续利用的关键因素。广泛且产量巨大、可再生，二氧化碳“零排放”等优势吸引三、生物质气化的影响因素着越来越多的关注。影响气化过程的因素主要有原料的气化特性(如含水量、- -、生物质的利用形式及其发展历程反应性、灰分、原料尺寸等)和气化条件(包含温度、气化生物质能利用形式多样，按照其提供产晶的形式可将其设备结构、气化剂种类等)。分为转化为能量和方便运输的优质燃料两种方式，其中直接1.含水量;燃烧和热解气化是提供能量的转化方式，气化(发酵、热解原料含水量对气化的影响主要体现在两个方面，水分蒸气化)和液化(热解、生物柴油、发酵)。发需要消耗气化过程中氧化反应所放出的热量，降低气化区生物质直接燃绕由于生物质原料堆密度小、热值低，且域温度，会造成烃的不完全裂解，使产气量减少;另外，增在我国面临分布分散的问题，导致运输成本高，其经济性需加水分促进水气置换反应CO+H2O +CO2+H2的发生，使进行论证;发酵的原料- -般为玉米、小麦等粮食作物，有引H2/CO比例增大，但原料含水量增加使产气热值降低。发粮食危机的风险，另外大规模种植单- -物种 也会破坏生物2.碱(土)金属多样性，因此目前关于此项转化技术开展了有关水藻等原料生物质灰分主要成份为碱(土)金属氧化物, siO2 Al2O3的研究;生物质直接液化是直接在有一-定温度和压力的设备等{,一般碱(土)金属共熔体灰熔点较低[2,对于反应性好中加入适当的溶剂和生物质，在催化或无催化的条件下，使.的原料，可在较低温度下操作，因此其气化过程不易结渣，生物质转化为液化油，产物可作为汽车燃料或通过进一步的若生物质灰分中含有较多碱(土)金属氧化物，气化过程中分离处理形成化工产品,该技术目前仍处于实验室研究阶段。生成低熔点共熔体的可能性大大增加，结渣风险增大，不利生物质气化技术既可将生物质能直接转化为电能或热于气化反应，值得注意的是，目前研究表明碱(土)金属对能，也可将其转化为气体或液体燃料，扩展了生物质的应用气化反应有催化作用,因此在不造成气化设备结渣的前提下，范围，气化产品不仅可以用于发电，工业供热等，还可以通生物质中的碱(土)金属可促进气化反应的进行。过F-T合成转化为液体燃料而用于发动机",通过恰当的净3.粒径化处理后还可作为燃料电池的原料等。粒径小的原料比表面积大，可提供较多的反应表面，且二、生物质气化的原理其热阻力也较小，使气化炉内的温度分布更加均匀，气化效生物质在气化炉中经历- -系列复杂的热化学反应，由固果好。原料粒径分布的均匀性主要影响气流分布，若将未筛态生物质转化为合成气，按生物质在气化设备中的反应可将分的原料加入固定床内,会造成大颗粒在床层中分布不均，其划分为4个区，千燥区、热解区、还原区和氧化区，反应并形成阻力较大和阻力较小的区域，形成局部强烈燃烧温度可分为热分解过程、还原过程和炭的燃烧过程。生物质原料过高，造成气化局部上移或烧结形成“架空"现象。严重时，.进入气化设备中首先被干燥，然后发生热解反应，析出大部气化层可能越出原料层表面，出现“烧穿”现象，从“烧穿"分挥发分，其主要产物是固态焦炭、液态焦油(在适当条件区出来的气化剂就会使产生的气体燃料烧掉，严重降低气体收稿日期: 2013-01-06作者简介:刘立新(1966-), 男，武汉都市环保工程技术股份有限公司高级工程师。第3期刘立新:生物质气化技术的研究进展75燃料质量，使气化器处于不正常操作状态。因此，气化原料结合造成设备管道的堵塞、腐蚀等问题，且焦油不易完全燃必须经过筛分预处理。饶，形成的炭黑等颗粒会损坏后续如内燃机、燃气轮机等以4.温度产气为原料的设备;特别地，焦油是-种成分及其复杂的混在不同的气化条件下，气化产物成分的变化很大，主要合物，组分多达200多种，其中-些组分的致癌性会给人类取决于热分解反应和热分解产物的二次反应进行的程度。反健康及环境带来危害。应温度是影响气化过程的主要因素，温度的高低不仅会影响1.焦油脱除方法一物理法产气的速率，而且对物料反应过程中的吸放热等可逆反应也目前对于焦油问题采取的措施主要有焦油裂解和焦油移-定的影响，从而最终影响到气化产物分布、产品气的组成、除，前者主要包括优化气化炉运行条件降低焦油生成量和化产气率和产气热值等。学除焦油法，按照是否使用添加剂分为热裂解法和催化裂解气化炉法，原理是把焦油转化为小分气体;后者主要包括淋洗法、气化炉提供气化反应所需条件，其设备结构对气化影响过滤和电捕集法3种物理除焦油法，物理法只能降低产气中很大。根据运行方式，可分为固定床、流化床和气流床。焦油的含量，并不能真正的消除焦油，还存在后续处理的问固定床气化炉是使原料在处于相对静止的床层中完成气题。荷兰的ECN5除了上面提到的几种方法外，还对焦油的化反应，根据气流运动方向的不同，固定床气化炉又可以分移除采用油洗，对焦油的裂解使用等离子方法，其中油洗焦为上吸式下吸式和横吸式3种。上吸式固定床炉内气体与油的效果要优于水洗焦油，但等离子技术对焦油裂解的影响物料运动方向相反，热效率高，且可燃气中灰分含量少，但还需要改进;吴文广川等还指出部分氧化法去除焦油，即在其焦油含量高。下吸式固定床炉内气体与物料运动方向-一致，过量空气系数小于1的条件下，利用部分生物质气化气燃烧可燃气中焦油含量较少，但对引风机功耗要求高，且可燃气产热，在高温和氧化条件下生成自由基脱除焦油，但该方法温度高需冷却，炉内热效率较低。横吸式固定床气化炉物料机理不明，目前关注较少。在炉内的停留时间短，且还原层的容积较小，燃气质量不好，2. 焦油脱除方法- 化学法且排出的气体温度高，其热效率很低。热裂解法由于需要很高的温度，对反应器材质要求高，三种固定床气化炉中,横吸式固定床气化炉的应用很少，且能源消耗大，一-般不予考虑。 催化裂解法降低焦油含量是下吸式固定床应用最为广泛，但固定床生产能力较小，且对利用催化剂提高焦油的裂解率以降低焦油含量，使用合适的细小颗粒、堆密度小的无法依靠自身重力流动的原料无法处催化剂后，不仅能使焦油裂解温度降低至700~900C,还能理，此时流化床气化炉独特的优势显现出来3。提高焦油的转化效率，产生良好的经济效应，因此，针对不流化床气化炉的流化介质一般为惰性材料石英砂等。按同的气化情况选择或改良合适的催化剂是目前重点研究的方照原料供应方式的不同,流化床气化炉可分为鼓泡床气化炉、向，综合考虑经济性和转化效果，常见催化剂有天然矿石、循环流化床气化炉和双流化床气化炉。流化床气化炉的优点改性天然矿石(加入镍、铁等)及镍基催化剂。是物料反应温度十分均匀，气化反应快，产气率高，且可燃五、结语气中焦油含量较少、可燃气热值较高;但其可燃气中灰分含随着研究的深入，生物质气化技术也将越来越成熟，生量较多，且气化炉结构比较复杂对原料适应性有限。物质能广泛的存在，生物质气化技术对其多方位的利用，生由于固定床气化炉和流化床气化炉的气化温度- -般不会物质能将会我们提供源源不断的能量，促进社会可持续发展。超过1,000C,产生的可燃气体中均含有一-定量的焦油，造成后续利用困难。为了解决焦油含量高的问题，生物质气流参考文献床这一高温气化技术正在进行实验研究。1] S.P. Babu，Gasification of Biomass for Power an6.气化剂Fuels[R]. 2008: Tokyo.气化剂作为气化反应的反应物之-,对气化反应影响很|2] P. McKendry，Energy production fom biomass (part3) :大，目前有研究应用的主要有空气、水蒸汽、空气+水蒸汽、gasification technologicsU]. Bioresource Technology, 2002,氧气和氢气五种形式，按照产气的热值高低2将其分为3类, .(83) : 55- -63.，以空气、空气+水蒸汽为气化剂生成低热值合成气,用于燃烧[3]陈平.生物质流化床气化机理与工业应用研究[D].合肥:或发动机燃料;以氧气水蒸汽为气化剂生成中热值合成气,中国科学技术大学，2006.可作为化学产品的原料;以氢气为气化剂的合成气，但其无[4] D. Dayton, A Review of the Literature on Catalytic Biomass实际应用。可根据实际用途选择合适的气化剂进行气化反应。Tar Destnuction [R]. 2002, NREL/TP-510-32815.四、焦油的危害[5] C.A Mullen, A.A. Boateng, K.B. Hicks, et al, Analysis and气化的产物主要包括几类物质，气态产物CO、H> CO2、Comparison of Bio -Oil Produced by Fast Pyrolysis fromCH,和其他轻烃C2-Cz、有机杂质焦油、无机杂质H2S、HCI、Three Barley Biomass/ Byproduct Stteams[]. Energy &HCN、NH3、碱金属和颗粒物!|等,其中焦油问题最为突出，Fuels, 2010, 24(1) : 699-706.是限制生物质气化大规模发展的瓶颈。焦油的存在不仅降低[6] 吴文广，罗永浩，陈祎等.生物质焦油净化方法研究进展了整体气化效率，造成能量浪费;还易冷凝，与水和炭粒等0]-工业加热，2008，37 (2) : 1-5.