生物质气化新技术研究进展

第45卷第4期热力发电Vol. 45 No. 42016年4月.THERMAL POWER GENERATIONApr. 2016生物质气化新技术研究进展李季',孙佳伟,郭利,翟明3,董芃3(1.中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司热电厂,黑龙江大庆163714;2.哈尔滨理工大学工程热物理研究所,黑龙江哈尔滨150080;3.哈尔滨工业大学能源学院,黑龙江哈尔滨150001). [摘要]对生物质紧凑型UNIQUE气化工艺和多级气化工艺进行了介绍，并对目前多联产工艺路线进行了说明,分析了等离子体气化和超临界水气化等生物质新型气化技术原理,指出了等离子体气化主要应用于废物处理,其优势是产气中H2和CO含量高,CO2和焦油含量低,热值高;超临界水气化的主要优点是湿生物质无需预干燥。[关键词]生物质气化;合成气;气化工艺;多联产;超临界水气化;研究进展[中團分类号] TK111 [文献标识码]A [文 章编号] 1002-3364(2016)04-0001-06[DOI编号] 10. 3969/j. issn. 1002-3364. 2016. 04. 001Research progress on new biomass gasification technologyLI Ji' ,SUN Jiawei? ,GUO Li ,ZHAI Ming3 ,DONG Peng3(1. Thermal Power Plant of Daqing Petrochemical Company ,China National Petroleum Corporation,Daqing 163714,China;2. Institute of Engineering Thermophysics,Harbin University of Science and Technology , Harbin 150008 ,China;3. School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001 ,China)Abstract: Biomass gasification has high potential and can realize high efficient utilization of biomass. By gas-ification,all different types of biomass can be converted into syngas comprising hydrogen , carbon monox-ide ,carbon dioxide and methane, thus to increase the biomass utilization ratio. In this paper ,the compact U-NIQUE gasification process of biomass gasification and multistage gasification process are introduced , andthe current polygeneration process route is illustrated. The principle of new biomass ga ification technologysuch as Plasma gasification and supercritical water gasification are analyzed. The present situation of its ap-plication and advantages are pointed out.Key words : biomass gasification, syngas, gasification process, process combination, ultra supercritical gasifi-cation, research progress生物质能在世界能源供应中超过10%,为四大害物质或改变自然界的生态平衡,对今后人类的生能源之一,位于煤炭、石油和天然气之后”。在太阳存和长远发展具有重要意义[34。能、风能和生物质能等可再生能源中,生物质能在其生物质范围广泛,包括不同类型的生物材料,如他能源供给不足时可予以辅助。木材、农业残余物、食品工业的废物、藻类和污泥等。目前，由于化石能源渐趋枯竭,发展生物质能已原则上,所有不同类型的生物质均可以通过气化转成为许多国家的重要发展战略[1。从环境效益上换成合成气,合成气主要由H2,CO,CO2,CH, 组看,利用生物质能可以实现CO2的零排放,从根本成。制约生物质气化发展的主要问题包括:1)焦油上解决能源消耗带来的温室效应,并且不会遗留有含量;2)产气热值;3)二次污染;4)经济效益。为了收稿日期: 2015-06-24基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(51206032);中国博士后基金(2013M31037) ;黑龙江省博士后资助项目(LBH-Z12101)作者简介:李季(1972- -),女,工程师，主要研究方向为锅炉沽净燃烧技术及其应用。E-mail: dongp@hit. edu. cn热力发电2016年促进生物质气化高效利用,需要有先进的理念最大器元件[10]直接集成在流化床蒸气气化炉的稀相段，化地提高合成气产量,优化生物质产气质量,提高生用于去除颗粒和焦油,从而获得清洁合成气。因为物质气化整体工艺效率[57]。基于此,本文对生物质无冷却步骤,催化剂和吸附剂的活性增加,同时在整气化新技术的研究进展进行概述.个转换过程中保持较高的热效率,在反应器出口避免了颗粒夹带产气。UNIQUE气化工艺将传统的1生物质气化工艺一次和二次热气体处理的主要优点结合在- -起，防止固体颗粒堵塞催化剂,减少了热能损失。且该工1.1 紧凑型UNIQUE气化工艺现有的生物质气化厂通过对生物质过滤和洗涤艺将催化过滤和生物质气化集成在一个反应器,可来减少产气中颗粒(焦炭、灰)和焦油的含量。用这以促进焦油转化，有效减少微粒,产出高纯度的气种方式可在温度接近室温时制取清洁燃料气,但产体。即使在中小规模的发电厂,UNIQUE气化发电气率低。制取的燃料气大多数用于燃气轮机发电，效率也较高。其气电转换效率低,约为25%[8,且去除焦油的效1.2多级气化工艺果也较差,产生的废水难以正常回收。气化是通过使用气化剂转换生物质中含碳材在生物质气化过程中,高温气体净化和催化技料，包括加热、干燥、热解,氧化和还原几个重叠的过术是促进生物质高效气化的关键。该技术在较高的程。这些过程使得生物质气化难以在单级气化炉中温度范围内进行生物质转换与气体处理，以保持生进行控制和优化。此外，热解气和焦炭之间的相互物质气体的热能。在利用高温水蒸气气化时,为避作用可能对气化产生负面影响"。因此,焦炭气化免气体冷凝而损失大量水蒸气，需要重整CH,将反应应在无挥发分的条件下进行，以提高气化效率。其转变为CO和H2,防止碳沉积在催化剂表面。为目前,热解和气化可以独立控制，也可以在-一个多级此,欧洲多家研究机构联合研发了UNIQUE气化气化过程中联合控制。与单级气化相比,多级气化工艺9](图1),其集生物质气化、热产气净化和调节过程可以降低焦油含量和提高产气纯度,并且整个系统于--体,实现了现有的生物质气化设施的技术气化过程的效率和产气的质量和数量均得到增强。创新。目前研发的分离热解和气化区的气化工艺设备有:哈尔滨工业大学研发的两段式生物质旋风高温热解清洗合成气气化炉和西班牙Sevilla 大学研发的三级FLET-一+TGAS气化炉[12-13]。催化过滤器元件到气化炉的干舷两段式生物质旋风高温热解气化炉(图2)由上用于去除颗粒和焦油段旋风高温热解气化室、下段水蒸气喷淋热解气化室、气体燃料高速燃烧器、螺旋给料机和灰渣箱等组成。运行时,高速燃烧器燃烧燃气后,所产生的高温一大幅消除H,S和其他有告做量元素低氧烟气喷人热解室与生物质混合,析出生物质中气体调节的挥发分,然后将水蒸气喷人气化室,通过水蒸气的重质烃的初级催化还图催化重整,碳氢化合物和大多数的焦油被转化成H2水蒸气和CO,这样在不降低产气效率的前提下,提高了燃气品质,降低了焦油含量。获得的产气经换热器把水加热为水蒸气,通入气化室用于生物质焦的气化反应,实现热量的自给,提高了生物质利用率和产气灰和废气热值1416]。图3为三级FLETGAS气化炉原理。第一级，图1 UNIQUE气化工艺加入适当的空气或水蒸气，保持挥发分刚开始析出Fig. 1 The UNIQUE gasification process的温度,产生的焦油含量较高;第二级,在1 200 C在UNIQUE气化工艺中,生物质与水蒸气在.高温条件下,用水蒸气重整焦油;第三级,在移动床流化床内发生气化反应,通过气体调节系统大幅消下吸式气化炉中将第-级产生的焦炭气化。流过炭减产气中H2S和其他有害微量元素,并且催化过滤床的第二级的气体用作催化剂，以进一步减少 焦油。http: // www. rld. com. cn http: // rlfd. periodicals. net. cn第4期李季等生物质气化新技术研究进展3在第一级中产生的焦炭经由气体密封固体传输部分靠性18。 例如2 MW维也纳新城热电厂(09]，直接从第一级输送到第三级[”。相比于单级流化15 MW奧地利Villach 热电厂[20以及5.2 MW丹床气化炉,FLETGAS气化工艺焦油含量显著降低，麦 Harbore热电厂(2]。这些热电厂总工艺效率约三级FLETGAS气化炉在标准状态下焦油质量浓为90% ,生物质发电率为25%~31%,其所生产的度为10 mg/m'，炭转化率为98%， 气化效率为热主要用于周围地区供热。81% ,热值为6.4 MJ/m'。用干燥基计算产气体积整体煤气化联合循环(IGCC)发电工艺是由一分数为:Nz, 5%;CO, 13%;COr,15%;CH,4%;个燃气轮机和一 个汽轮机组合发电,20世纪90年H2 ,8% ;C2 He ,2%。代中期1GCC工艺用于煤的气化。对于采用IGCC工艺的200~ 300 MW电厂的发电效率高达中WW排气管46%2。理论研究表明,1GCC发电的整体效率可电机燃烧器以达到53%。瑞典生物质IGCC工艺已成功应用于18 MW热电厂。该厂的电效率为32%,总生产20* ~30°换热器效率为83%。由于小汽轮机发电效率低,IGCC工热解室艺更适合在大型电厂中应用。2.2 合成天然气、热电合成联产生物质在高温条件下气化产生合成天然气,在气化室文丘里管日过去的10年中,生物质合成天然气已经获得越来越I灰渣箱给水泵多的关注,一些研究群体已对其进行了研究,例如荷图2两段式生物质旋风热解气化炉兰能源研究中心(ECN)和瑞士Paul-Scherrer研究Fg2 Principle of the two-stage biomass cyclone pyrolysis gasifler所(PSI)。生物质合成天然气是一种可再生的清洁燃料,可以在供暖、热电联产和运输方面替代化石燃料2),而且现有的天然气管道系统为合成天然气的水然气司高温条件下,水蒸气重整焦油运输和储存提供了优势。Kopyscinski等人[23]在绝热式固定床反应器对煤或生物质制备合成天然气整个工艺过程中的甲烷低温条件下，进一步减少化过程进行了综述。甲烷化反应之前所产生的合成含量较商二2焦油燃料8气体密封气需要净化和调节,气体净化的目的是去除颗粒、焦固体传递油、碱和硫,气体调节通常包括水气转化反应,需要H2与CO体积比超过3。甲烷化反应使CO和H2myl空气水蒸气转化成CH和H2O。甲烷化反应后,除去H2O和空气心水蒸气.售CO2以及杂质中未反应的H2以达到所需的气体质圈3三级 FLETGAS气化炉原理量分数,该方法详见文献[23]。Fig.3 Principle of the three-stage FLETGAS gasifier2.3生物燃料、 热电合成联产2多联产生物质气化生物燃料如柴油、二甲醚和甲醇,是一-种可再生的清洁燃料,可以在发电和供热方面替代化石燃料。多联产是指至少两种产品的联合生产。多联产与合成天然气相比,液体生物燃料相对容易输送。生物质气化的合成气可转化成电、热、气体或液体燃液体生物燃料热电联产具有高工艺灵活性,且工艺料和化学品,考虑市场需求的变化,多联产生物质气效率高达约90%[e4]。化工艺路线具有较高的灵活性。DjuricIlic等研究得出生物燃料、热电合成联产2.1热电联产比生物燃料单机生产减排温室气体效果更好。不同生物质气化热电联产于20世纪90年代开始启.的技术经济分析表明，生物燃料比化石燃料的生产用。近年来,生物质气化热电联产有很多成功的案成本高,生物燃料必须通过政府补贴和税收支持以例,充分证明了生物质气化热电联产整体技术的可保持其竞争力l5)。http: // www. rlfd. com. cn http: // rlfd. periodicals. net. cn4热力发电2016年本大,效率较低。由于反应温度高,反应器的寿命也3生物质气化新技术是一个问题。3.1 等离子气化3.2超临界水气化在等离子发生器中,气体分子通过放电电离。图5为水相图。水在超临界状态-高于临界由于等离子体中电子、离子和气体具有高能量密度，点(压力为22.12 MPa,温度为374. 12 C)时作为溶所以等离子体具有较高反应性。等离子发生器通常剂和反应物均具有独特的性质。有机材料和气体在采用直流放电、交流放电、射频感应放电或微波放电超临界水中溶解度显著增加，而无机材料的溶解度以产生等离子体。在真空压力下产生冷等离子体，降低。在超临界水中生物质气化过程包括高温分而在大气压下产生热等离子体。热等离子体的温度解、异构化、脱水、裂化、浓缩、水解、蒸汽重整、甲烷可以达到5 000 K甚至更高。化、水气转化等反应过程。生成的气体主要成分是等离子气化工艺主要包括原料的预处理、气化、H2,CH和CO2。气化反应温度低于450 C时,所合成气的净化、热回收以及产品利用。图4为一个生成的气体的主要成分是CH,;气化反应温度高于等离子气化反应器,其中反应室连接一个非转移直600 C时,水作为强氧化剂与碳反应,释放H2[28],在流电弧等离子体发生器[26]。超临界水中生物质气化促进水气转化反应,提高了生物质气化效率和H2产量。在超临界水中生物质气化的主要优点是湿生物质无需预干燥,即使液体凸个的ar生物质废弃物也无需预干燥。50r0超临界相30+流体相低温区!出2临界点相100200 300 400 500 600后子温度/C乡高温区圈5水相圉Fig.5 Phase diagram of water團4等离子体气化反应器4结语Fig.4 Principle of the plasma gasification reactor本文介绍了国内外生物质气化新技术的研究进中国科学院广州能源研究所在热等离子体提供展分析了阻碍生物质气化技术商业化运行的主要的高温、高能量反应环境中,进行了生物质的快速热因素。虽然生物质气化技术已经取得了一定的进解气化研究。等离子体热解产物由固体残渣和气体步,但与传统煤气化技术相比,尚存在焦油含量偏组成,无焦油存在。合成气中H2和CO的体积分高转化率低、气体中杂质成分复杂、经济性差等问题。尽管如此,生物质能具有低硫和CO2零排放等数之和高达98%2。等离子气化主要的应用是废物处理。把生物质诸多优点,许多国家已将其列为重点项目。目前,各注人等离子体气化反应器,在几毫秒内发生气化,在国大力推进生物质气化技术的应用和发展，与其他非常高的温度条件下并无任何中间反应。气化炉产能源行业相比,呈现出蓬勃发展和交叉发展的态势。出的合成气温度较高,需要快速冷却,以防止产生二[参考文献]恶英和呋喃。等离子体气化的优点是产气H2和[1] SAIDUR R, ABDELAZIZ E A, DEMIRBAS A,et al. ACO含量高,CO2和焦油含量低,热值高,并可用于review on biomass as a fuel for bilers[J]. Renewable and湿生物质(如污泥等),生物质的颗粒尺寸和结构对Sustainable Energy Reviews, 2011,15(5) :2262 -2289.其无影响。缺点是等离子体的电力消耗高,投资成2] 邸明伟,高振华.生物质材料现代分析技术[M].北京:http: i/ www. rlfd. com. cn http: // rlfd. periodicals. net. cn6热力发电2016 年[22]陈元国.生物质基合成气合成低碳醇工艺研究[D].郑Journal of Electrostatics,2013,71(5) :839-847.州:郑州大学,2012:1-17.[27]赵增立,李海滨,吴创之，等.生物质等离子体气化研究CHEN Yuanguo. The process study of producing low-[J].太阳能学报,2005 ,26(4) :468-472.carbon alcohol from biomass synthesis gas[D]. Zheng-ZHAO Zengli, LI Haibin, WU Chuangzhi,et al. Thezhou:Zhengzhou University,2012:1-17.study on the plasma gasification of biomass[J]. Acta[23] KOPYSCINSKI J, SCHILDHAUER T J, BIOLLAZEnerglae Solaris Sinica, 2005 ,26(4) :468-472.SMA. Production of synthetic naturalgas (SNG) from[28] GUO Y,WANG S Z,XU D H,et al. Review of catalyt-coal and dry biomass-a technology review from 1950 toic supercritical water gasification for hydrogen produc-2009[J]. Fuel,2010,89:1763-1783.tion from biomass[J]. Renewable and Sustainable En-[24] AHRENFELDT J, THOMSEN T P, HENRIKSEN U,ergy Reviews,2010,14(1) :334-343.et al. Biomass gasification cogeneration-A review of state[29]闫秋会,郭烈锦,目友军.生物质/煤超临界水气化制氢of the art technology and near future perspectives[J]. Ap-的主要影响因素[J].西安交通大学学报,2008 ,42(3):plied Thermal Engineering ,2013,50(2) :1407-1417.368- 371.[25] NG K S,SADHUKHAN J. Techno economic perform-YAN Qiuhui, GUO Liejin, LV Youjun. Influence ofance analysis of bio-oil based Fischer Tropsch anmain parameters on hydrogen production during bio-CHP synthesis platform[J]. Biomass and Bioenergy,mass/ coal gasification in supercritical water[J]. Jour-2011 ,35(7):3218-3234.nal of Xian Jiaotong University, 2008,42(3) :368-371.[26] TANG L, HUANG H,HAO H,et al. Development ofplasma pyrolysis/ gasification systems for energy effi-(责任编辑社亚勤)cient and environmentally sound waste disposal[J].http:// www. rld. com. cn http: // rlfd. periodicals. net. cn