生物质热解气化技术

生物质热解气化技术董玉平,郭飞强!,董磊2,强宁,景元琢2(1.山东大学济南25001;2山东百川同创能源有限公司济南250101)[摘要]生物质热解气化是农林废弃物向清洁燃气转化的关键技术,产生的合成气可替代天然气等化石燃料,实现燃气、热能和电能的供给。目前我国生物质热解气化技术经过20余年的发展完成了民用分布式生物质燃气供应系统的示范和布局,并初步具备了规模化燃气制备和发电的产业技术基础。“十二五”期间具有显著提高燃气质量的富氧气化蒸汽气化、甲烷化制备Bio-SNG等技术成为重要的研究方向装备设计制造的大型化规范化和标准化成为产业发展的必然关键词]生物质热解气化;合成气;Bio-SN中围分类号]TK6[文献标识码]A[文章编号]1009-1742(2011)02-004-01前言2国外热解气化技术发展现状随着世界经济的快速发展,能源资源的消耗速20世纪70年代开始,生物质能的开发利用研度也迅速增长而煤、石油、天然气等传统化石能源兖已成为世界性的热门研究课题国外尤其是发达资源日益枯竭,人类迫切需要开发可再生的能源资国家的科研人员在相关领域做了大量的工作。源以补充和替代现有的化石能源。生物质能作为重美国有生物质发电站350多座,分布在纸浆、纸要的环境友好的可再生能源受到国内外的重视被产品加工厂和其他林产品加工厂,主要研究采用生视为继煤炭、石油和天然气之后的第四大能源。物质联合循环发电(B/GCC),生物质能发电的总装生物质热解气化可将生物质原料转化为以Co机容量已超过1000Mw,单机容量达10-25MW和H2为主的气体燃料,可直接转换实现燃气、热能发电总量已达到美国可再生能源发电装机的40%和电能的供给。同时燃气可以通过甲烷化反应,进以上、一次能源消耗量的4%而制备高品质生物质合成天然气(Bio-SNG),是生德国目前拥有140多个区域热电联产的生物质物质能开发的重要技术途径12l。电厂,此外有近80个处于规划设计或建设阶段,茵贝尔特能源公司( mbert Energietechnik GMBH)设计我国生物质能资源储量巨大,仅农作物秸秆约制造的下吸式气化炉-内燃机发电机组系统,气化7亿va,折合标准煤约为3亿t/a;全国每年可提供效率可达60%-90%,燃气热值为1.7万-25万33亿t林木生物质相当于2亿t的标准煤。如能将这些生物质资源通过热解气化转化为气体燃料芬兰是世界上利用林业废料、造纸废弃物等生可以取代大量的化石能源缓解我国对常规能源的物质发电最成功的国家之一,福斯特威勒公司是芬依存度。同时,生物质能利用是自然界的碳循环的兰最大的能源公司,主要利用木材加工业造纸业的一部分,过程中实现CO2的零排放属于可再生清废弃物为燃料,废弃物的最高含水量可达60%,机洁燃料3。组的热效率可达88%,所制造的燃烧生物质的循中国煤化工4[收稿日期]2010-11-25CNMHG作者简介]董玉平(1949-),男山东梁山县人山东大学机械工程学院教授E-mail:dongye@sdu.edu.cn4毁搪科学环流化床锅炉技术先进,可提供的生物质发电机组有重要的意义。此外反应时间、催化剂等也是控制功率为3~47MW。气化反应过程的主要参数。瑞典和丹麦正在实行利用其丰富的生物质进行国内应用的生物质气化炉主要包括流化床和下吸热电联产的规划,使生物质能在提供高品位电能的式固定床两种类型,其中流化床具有反应速度快生产同时,满足供热的要求,瑞典地区供热和热电联产所能力大等优点然而其具有结构比较复杂设备投资较消耗的能源中生物质能比例已经超过26%39。大对原料种类和粒度要求严格等缺点目前主要应用3热解气化技术与装备现状于稻壳和林木加工剩余木粉的发电。下吸式固定床气化炉具有原料适应范围广、焦油含量低等优点,在国内生物质热解气化装备系统主要包括气化炉、燃推广应用较为广泛。山东百川同创能源有限公司研发气净化系统和终端利用系统三部分了可以连续运行的下吸式固定床反应器采用主动配3.1气化炉工作机理及装备现状风技术,其主要结构原料如图1所示。气化炉是生物质热解气化的主要工作设备,原料在气化炉内与气化剂发生不完全燃烧反应,过程大体可以分为裂解反应氧化反应和还原反应,主要反应过程如式(1)-(6)所示0-12)。*CO, AH2gs=-405 8 kJ/mol (1)C+1/202→C0△H2s=-110.7kJ/mol(2)C+CO2-2C0△H2=+172.1kJ/mol(3)C+H,0(g)-CO+H,△H=+131.3k/molC+2H2O(g)C02+2H2△Hw=+89.7k/mol(5)Co+H20(g)-+CO2+H2△H29=-41.2kJ/mol反应(1)和(2)为氧化反应发生在氧化层,反应过图1主动配风气化炉结构示意图程中释放出大量的热能是整个气化反应过程的热量ig. 1 Schematic diagram of gasificationunder active air distribution来源。反应(3)至(6)为还原反应,且主要为吸热反应,是CO和H2形成的主要阶段,其中C和水蒸气是主要根据气化炉内反应温度和燃气质量,主动控制的反应物也是影响生物质燃气质量的关键因素。气化剂供给量,系统设计开发了温度实时监控和反借助于氧化反应产生的热能,气化炉的热分解馈控制系统,根据反应温度主动控制气化剂的供给,层的温度保持在400~600℃,大分子链生物质原料使热解气化反应始终保持在最优的区间内,以玉米断裂,是生物质焦油产生的阶段。下吸式固定床气秸秆为原料,典型工况下燃气组分和焦油含量如化炉生成的焦油将通过氧化层和还原层,借助于两表1所示气化炉最大产气量达到2000m3/h,满足层的高温,实现焦油的燃烧和热解,可以转化为气体MW级气化发电的要求。小分子,主要发生的裂解反应为式(7)和式(8),其表1主动配风气化炉燃气组分中式(7)发生在氧化层,为焦油的燃烧反应;式(8Table 1 The gas composition of the gasifier发生在还原层,主要反应对象为水蒸气。under active air distributionCHn+(m/2+m/4)02—nCO+m2H2O(7)燃气组分及参数C, H,+nH,0-nCo+(n+1/2m)H,(8)由此可以看出,气化炉反应过程中,氧气的供给可以对反应温度进行调控,从而控制反应过程及其中国煤化工生成物;水蒸气作为还原反应和焦油裂解重整反应CNMHGSS46.16的主要参与物,对于提高燃气质量、降低焦油含量具焦油/(m·m2)2011年第13卷第2期453.2燃气净化系统化学溶剂近年来焦油催化裂解成为重要的研究方向,国内外学者开展了大量的试验研究,目前尚不具备工程化应用水平,实际工程中焦油脱除的方法主要采用机械脱除技术。机械除焦法主要包括干式除焦、粗燃气态无焦燃气湿式除焦,其中湿式除焦是用水将可燃气中的部分焦油收集|焦泊收集焦油带走,主要设备是喷淋塔。干式除焦又称过滤法,是依靠惯性碰撞、拦截、扩散以及静电力、重力等作用,使悬浮于流体中的固体颗粒沉积于多孔体表焦泊+待处理溶剂面或容纳于多孔体中。国外生物质气化项目一般主要以木材为气化原图2基于化学吸收的燃气净化技术工作原理料,广泛采用干式与湿式相结合的除焦技术技术较Fg,2 Working principle of biomass gas purification为成熟。国内目前主要采用湿式净化技术,多家单system based on chemical absorption位在相关技术领域进行了研究开发,形成一些典型以降低燃气中N2的含量,同时富氧气化可增加氧的净化装备系统,并已在民用供气中推广应用。国内典型的水洗净化技术是山东大学开发的集化层的厚度,释放大量的反应热提高整个气化反应喷淋、水浴、水膜及冲击于一体的湿式净化器,釆用辽程中的温度,使更多的焦油通过燃烧和热解脱除。特殊的气液室液体经机械喷雾形成大小不同的水国外在生物质富氧气化技术方面研究较多,主要针对流化床气化炉,氧气的浓度达到99%以上,滴捕捉燃气中的灰尘和焦油;同时,在压力的强制作用下产生冲击而形成泡沫,利用重力和扩散等机整个气化过程在高压下进行,典型的有瑞典的MINO生物质气化项目,建立了富氧气化中试系统,炉内气理,使焦油液滴在气泡中沉降。燃气流通过净化器压达到30个大气压,采用循环流化床结构,处理量时,绝大部分的焦油被捕获,同时高温燃气被冷却,为500kg/h,技术较为复杂,要求有相应的制氧设焦油含量小于10mg/m3然而湿式净化技术会产生含焦油的污水,导致备,且电耗较高,成本也较高。西班牙塞维利亚大学二次污染的产生。针对这一难题,相关研究机构提Alberto g6mez- Barea等学者采用双流化床反应器,出采用化学溶剂替代常用的水作为燃气净化介质,研究采用膜法富氧控制气化剂中的氧气含量,气化避免水洗二次污染的产生。目前,国外典型代表为数率和燃气热值得到了明显的提高{。荷兰ECN研发的OLGA,采用溶剂洗涤的方式,去浙江大学清洁能源利用国家重点实验室搭建除焦油等杂质-1。了小型试验台,采用富氧气化,控制反应过程中的反国内,山东大学与山东百川同创能源有限公司应温度,提高一次性热解气化的燃气热值,燃气的热联合研发了基于化学吸收的燃气净化技术其主要值达到900m31工作原理如图2所示。根据焦油凝结点不同,实现山东大学研究采用膜法富氧制气与生物质热解典型特性焦油的分级去除溶剂与焦油分离并实现化技术相结合,研制出膜法富氧生物质气化中试溶剂的循环利用净化后燃气中的焦油和灰分含量转备提高气化反应速度和气化炉气化能力燃气热达到10mg/m3以下。该技术已在伊春气化发电、沈值由5000J/m3提高到900/m3。同时提高了阳军区集中供气等项目中应用实施。氧化区的炉温,更多的焦油高温裂解成小分子气体,减少了气化过程中焦油的生成量。4前沿技术研究研究证明,富氧气化技术对于燃气热值的提高4.1新型气化工艺技术研究具有明显的效果,然而成本较高,反应过程需要严格4.1.1富氧气化技术控制,防止燃气燃烧损失,相应的装备系统尚处于研以空气为气化剂,生物质气化燃气热值仅为究试中国煤化工5000kJ/Nm3,品质较差,主要是由于燃气中含有约4.1LCNMHG50%的N2所致。若采用富氧气体作为气化剂,可水杰气是生初质还原仅厘相焦油裂解反应的主要反应物,采用水蒸气作为气化剂,还原反应(4)至4工程科学方数据(6)和(8)被加强,生产燃气中H2和CO含量将大床甲烷化、利用生物质双流化床气化产生的合成气,幅增加,蒸汽气化一般配合两段式裂解重整,可以制经过脱除焦油、脱硫、脱氮后,生产了达到天然气品取富H2燃气,并实现燃气中绝大部分焦油的裂解质的Bo-SNG,是世界上首次示范利用生物质热解转化。气化路线生产Bio-SNG的成套完整工艺,工艺流典型的蒸汽气化为奥地利维也纳科技大学学者程如图4所示。生物质原料首先通过双流化床气Stefan Koppat采用双流化床蒸汽气化制取富H2燃化,产生生物质燃气,燃气经过净化系统脱除灰分、气,其工艺结构如图3所示,生物质首先以蒸汽为气焦油和其他杂质后,进入流化床甲烷化反应器,进行化剂对木质生物质进行气化,气化产生的碳粉进入甲烷化反应生成Bio-SNG燃烧反应器,与空气发生燃烧反应,为气化阶段提供反应所需热量,并促进焦油的热裂解。气体产业生物一一图4 Gussing双流化床气化制备BJo-SNG示范工程流程Fig 4 The Gissing process of doublefluidized bed for Bio-SNG蒸汽交气国内对于相关技术还处于试验研究阶段。Bi图3两段式蒸汽气化反应示意图SNG中CH4浓度超过70%以上,则热值将达到Fig 3 Schematic diagram of two-stage25080kJ/m3以上,可以替代常规天然气,提供民steam gasification用、车用和工业用能2。国内大连理工大学 Gao Ningbo等人采用多孔5我国生物质能产业化发展方向陶瓷介质作为裂解反应器,配合上吸式蒸汽热解气国家“十一五”可再生能源发展规划纲要提出化制取富氢气燃气试验研究了相关影响参数对燃“未来将建设生物质发电550万kW装机容量”;气质量的影响作用,在小试试验情况下,燃气中H2《可再生能源中长期发展规划》确定:到200年生的含量可以达到50%以上。物质发电装机要达到3000万kW。生物质能逐渐以蒸汽重整为基础形成两段式热解气化,一段成为我国能源战略的重要组成部分,生物质热解气实现燃气的高效气化的同时,另一端实现燃气重整化产业化、规模化开发是必然趋势。和焦油裂解,可以在不降低燃气生产效率的前提下1)气化与直燃相结合生物质发电工程。我国提高燃气品质降低焦油含量是生物质热解气化的生物质直燃发电技术项目已经形成了产业化发展模重要研究方向,对于降低燃气中焦油含量提高燃气式建立了直燃发电厂150余家,截至2008年底国品质具有重要意义能15家生物发电厂已生产“绿色电力”26亿kW·h4.2生物质天然气制备技术生物质热解气化技术以其规模适度、启动灵活、原料生物质燃气主要成分为H2和CO,属于热值较收集半径小等优点可与大型直燃发电优势互补,建低的燃气,燃气进一步通过甲烷化反应合成CH4,可设形成10MW以下规模的生物质气化发电项目,完以制备高品质的生物质合成天然气,目前在煤气化成生物质发电的规模与空间布局。技术中,燃气甲烷化制备富CH4气体已经进行了深中国煤化工技术的产业化人的研究然而对于生物质燃气相关技术研究刚刚开发起步。CNMHG缺口预计将达y"烷浓度能够达到奥地利cusg在208年成功运行了基于流化70%以上,其热值约为7000ka/m2,可以作为民201l年第3卷第2期用、车用燃气。若每年实现3亿t生物质资源的转[R]北京:中国市场报告网,2010化开发,可以生产形成约1200亿m3Bio-SNG,因4]杨素萍赵水亮秦风查等分布式发电技术及其在国外的发展状况[门电力需求侧管理,2006,8(3):57-60此Bio-SNG的产业化开发可有效弥补我国天然气[5]盛建菊生物质气化发电技术的进展[J]节能技术,2007(1):资源的不足6行业发展相关建议[6 Gil J, Caballero M A, Martin J A, et al. Biomass gasification withair in a fluidized bed. effect of the in bed use of dolomite under目前我国生物质热解气化整体技术水平仍落后diferent operation conditions [J]. Industrial Engineering and于欧美发达国家在装备规模技术先进性以及行业(7]果创之马隆龙陈勇,生物质气化发电技术发展现状市场竞争力等方面还存在诸多问题,盈利能力尚不中国科技产业2006(2):76-79足以与化石燃料竞争,这也直接阻碍我国生物质能[8] Paisley M A, Anson D. Biomass gasificat ion for gas turbine2产业的发展sed power generation [J]. Joumal of Engineering for Gas Tu1)建议加大在生物质热解气化领域的技术研bines and Power Transactions of the ASME, 1998(4): 284-288发力度逐步实现富氧气化富蒸汽气化的技术完9)衰振宏欧洲生物质发电技术影[可再生能源0(4)善使之具备工程化转化的条件提高燃气的品质和[10刘蓉厚,牛卫生张大雷,生物质热化学转换技术(M].北京:市场竞争力,为行业发展提供技术支撑化学工业出版社,2005:11-1232)建议开展生物质热解气化装备的大型化系[1]袁振宏吴创之马隆龙生物质能利用原理与技术[M].北列化、标准化研究,提高燃气制备系统的设计和制造京:化学工业出版社,2005:184-186.能力,并通过建立典型示范工程,推动生物质燃气生127 Lopamudra D, Pasinskik, Janssen Fig. A review of theprimary measures for tar elimination in biomass gasification产工程的规模化应用。processes [J]. Biomass and Bioenergy, 2003, 24: 125-1403)根据我国生物质资源分布特点,因地制宜建[13]DiL, KrZysztof J, Pasinski K],ea. Pretreated olivines立分布式能源供给系统和规模化生物质热/电工程,tarremoval catalyst for biomass gasifiers: investigation using Na满足典型地域的能源需求。2005,86(6):707-7307结语[14]吴文广,罗永浩陈柿等.生物质焦油净化方法研究进展[J].工业加热,2008,37(2):1-5.我国具有储量巨大的农林生物质资源,通过热[15] Patrick C A, Sander V B, Harold B. The novel“oLGA"tch解气化技术转化为清洁燃气,可替代天然气等化石nology for complete tar removal from biomass producers[ R]燃料实现燃气、热能和电能的供给。目前我国生物Strasbourg: Pyrolysis and Gasification of Biomass and Waste Ex-质热解气化技术经过二十余年的发展,行业已初具16]熊丽君张忠诚基于 ASPEN PLUS平台的生物质燃气脱焦规模,逐步完成了民用分布式生物质燃气供应系统工艺模拟[山东大学学报(工学版),2008,38(6):95的示范和布局,初步具备了规模化燃气制备和发电的产业技术基础。项目的投资主体已开始从政府福17] Manuel Campoy, Oberto gomez-Bca, Fernando b vidal,t利性项目转向社会商业资本的投人steam gasification of biomass in a fluidised bed现阶段我国生物质热解气化技术工艺装备与我ptimisation byenriehed air [J]. Fuel Processing Tech00,90:677-685国的生物质能中长期发展规划要求和进度严重不[18 ou Jin, then Qin,ahH,ta.Bim- oxygen符。因此“十二五”期间,具有显著提高燃气质量的gasification in a high-temperature entrained-flow gasifier [JJ富氧气化蒸汽气化、甲烷化制备Bio-SNG等技术Biotechnology Advances, 2009, 27: 606-611将成为重要的研究方向装备设计制造的大型化规19 Stefan Koppa, hnistoph Pfeifer, hard Rauch,马范化和标准化成为产业发展的必然。rich product gas by steam gasification of biomass with in situ CO2orption in a dual fluidized bed system of 8 MW fuel input[J]. Fuel Processing Technology, 2009, 90: 914-921参考文献[1]董玉平邓波景元琢,等.中国生物质气化技术的研究和发中国煤化工叫mmh展现状[]山东大学学报(工学版),2007,37(2):1-7.CNMHG7-4277[2]万仁新生物质能工程[M]北京:中国农业出版社,199[21] Jan Kopyscinski, Tilman J Schildhauer, Serge M A Biollaz. Pn[3]2010-2015年中国可再生能源产业调研及战略咨询报告duction of synthetic natural gas(SNG)from coal and dry biomass45工程科学方数据ogy review from 1950 to 2009[J]. Fuel, 2010, 89(8):1763-1783[23]Guangwen Xua, Takahiro Murakami, Toshiyuki Suda, et al.[22] Alexis Duret, Claude Friedli, Franc ois Marechal. Process de-Eicient gasification of wet biomass residue to produce middle ca-sign of Synthetic Natural Gas(SNG ) production using wood gasi-loric gas [J]. Particuology 2008 (6):376-382fication [J]. Joumal of Cleaner Production, 2005, 15(13):1434Study on trend of biomass gasificationDong YupiGuo Feiqianng, Dong LeiQiang ning, jing Yuanzhuo(1. Shandong University, Jinan 250061, China;2. Shandong Baichuan Tongchuang Energy Co, Ltd., Jinan 250101, China)[Abstract] Gasification is the key technology of translating biomass into clean gas which can be used asnature gas to provide gas, heat and electricity for users. After more than twenty years development of biomass gasfication technology, the distributed biomass gas supply system has been built for civilian use, and the technologyhas the basis for large-scale gas producing and electricity generation. In the Twelfth-Five Year Plan, technologiesthat can obviously improve the gas quality become an important research direction, such as oxygen-enriched gasification, steam gasification and making Bio-SNG by methanation reaction. It is the necessity for equipment manufac-turing and designing to be large-scale, seriation and standardizationI Key words biomass; gasification; biomass gas; Bio-SNG中国煤化工CNMHG11年第13卷第2期49