生物质气化及生物质与煤共气化技术的研发与应用

转化利用全国中文核心期刊矿业类核心期刊CAJ-CD 规范)执行优秀期刊-生物质气化及生物质与煤共气化技术的研发与应用徐春霞,徐振刚,步学朋,董卫果,戢绪国,杨宗仁(煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院,北京100013)摘要:总结了生物质原料的特点及生物质单独气化的缺点;介绍了国内外生物质气化技术及生物质与煤共气化技术的研发与应用现状;分析了在此领域国内外的发展趋势与前景;概括了开展生物质与煤共气化技术研发的意义。关键词:生物质;煤;共气化;协同效应中图分类号:TQ54文献标识码:A文章编号:1006-6772(2008)02-0037 -04生物质包括植物、动物及其排泄物、垃圾及有机述缺陷,同时在碳反应性、焦油形成和减少污染物排废水等几大类。与煤炭相比，生物质原料具有如下放等方面可能会发生协同作用(5]。特点:①挥发分高而固定碳含量低。煤炭的固定碳1国外的研究与应用情况-般为60%左右;而生物质原料特别是秸秆类原料的固定碳在20%以下,挥发分却高达70%左右,是(1)生物质气化发电适合热解和气化的原料。②原料中氧含量高,灰分生物质气化及发电技术在发达国家已受到广泛含量低。③热值明显低于煤炭,一般只相当于煤炭重视,如美国、奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威和瑞典的1/2 ~2/3。④低污染性。一般生物质硫含量、氮等国家生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相含量低燃烧过程中产生的SO2、NO,较低。⑤可再当迅速。美国在利用生物质能发电方面处于世界领生性。因生物质生长过程中可吸收大气中的CO2,先地位,美国建立的Bttelle 生物质气化发电示范工其CO2净排放量近似于零,可有效减少温室气体的程代表生物质能利用的世界先进水平。奥地利成功排放。⑥广泛的分布性。地实施了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计生物质气化是生物质利用的重要途径之一。生划，生物质能在总能耗中的比例由原来大约2%~物质气化技术已有一百多年的发展历史,特别是近3%增到目前的25% ,该国现已拥有装机容量为1~年来,对生物质气化技术的研究日趋活跃。但生物2MWe的区域供热站80 ~90座。瑞典和丹麦正在质单独气化存在一些缺点。首先,生物质的产生存实施利用生物质进行热电联产的计划,使生物质能在季节性,不能稳定供给;其次,由于生物质处理后在转换为高品位电能的同时满足供热的需求，以大形成的颗粒具有不规则性,在流化床气化炉内不易大提高其转换效率(6]。日本资源能源厅调查结果.形成稳定的料层,需要添加一定量的惰性重组分床显示,2001年日本有83家生物质废弃物发电厂,形料如河砂石英砂等[1-);第三,生物质单独气化时式为废弃塑料等与重油等化石燃料混烧发电,2003生成较多的焦油,不仅降低了生物质的气化效率,而年又投资约14.5亿日元建设了发电量为3MW的生且对气化过程的稳定运行造成不利影响。生物质与物质发电项目,年利用林业和建材业废旧材料5.9煤共气化不仅可以很好地弥补生物质单独气化的上万[78]。菲律宾、马来西亚以及非洲的一些国家，收稿日期:007-11-20基金项目:国家高技术研究发展计划( 863计划)资助(2007AA05Z324)作者简介:徐春霞(1982 - ) ,女,山东日照人,煤炭科学研究总院在读硕土,从事煤组成、结构与加工利用性质的研究。转化利用都先后开展了生物质能的气化、成型、热解等技术的度降到15%后,粉碎加入加压流化床气化炉中。气研究开发,并实现了工业化生产(6]。化剂采用氧气和水蒸气的混合气体,反应温度为(2)生物质燃气区域供热[9,0] ,利用类似于传750~ 950C。气化后可燃气体组分为:35% CO,统固定床气化炉的上吸式气化炉生产生物质可燃32% H2, 6% ~8% CH, 22% CO2。气化每吨泥炭需气,用于区域供热已达到了商业化水平。用于区域氧气290Nm' ,需水蒸气160kg。该厂还用泥炭与木供热的生物质气化设备已在芬兰、瑞典各地运行。屑的混合物作原料进行过气化试验,也获得了成功。气化炉以泥炭、木片或木材加工过程产生的废(5)生物质与煤共气化,由于灰分和硫含量低，弃物为原料。设备工作性能稳定可靠,转换效率高，挥发分含 量高且反应性高,生物质与低阶煤共气化对原料湿度和粒度要求宽松。通过调节气化剂中水如能产生协同作用就可能产生低热值气体来增加产蒸气的含量来控制氧化层的反应温度,可避免反应品的附加值。为此,研究二者的协同效应是热点之物料出现烧结现象。可燃气中焦油含量虽然较高，一。 Collot 等"", Pan等(12]研究认为煤与生物质简但是通向燃烧器的管道既粗又短,不易出现堵塞现单混合共热解时， 两者并不能产生协同作用。象,因而系统不须安装焦油过滤装置。焦油及气化Sjostrom等[13]在加压流化床反应器中，进行了700炉产生的可燃气可在后面的燃气锅炉等燃烧器中直~ 900C ,0. 4MPa富氧气氛下,波兰煤和桦树共气化接燃烧,既充分利用了焦油的能量又避免了管道堵实验， 发现焦的产率比单- -物料的低，气体产率提塞等问题，因而通常不需要高效气体净化和冷却系高;但是在1.5MPa的压力下这些现象不再出现。统，系统相对简单,热利用率高。McLendon T R等[5]在灰团聚流化床中试气化装置(3)水泥厂供燃料与发电并用的生物质气化中分别进行了次烟煤和烟煤与木屑的共气化实验,站[9),意大利已建成一-座生物质气化站,此气化站生物质的最高质量掺混比例为35%,气化压力是欧洲较大的生物质气化站之一。站内所用燃料是3.0MPa。试验结果表明次烟煤与木屑混合物共气2种有机质颗粒的混合物,--种颗粒用城市垃圾中化时没有显著的协同作用产生,而烟煤与生物质混轻质可燃物制成,另一种颗粒用农业生产废弃物制合物在共气化中产生了显著的协同作用;但2种煤成,这2种颗粒均由当地颗粒燃料加工厂制作。该与生物质混 合物的流化性能与单- -煤 相比都有显著站与一个水泥厂毗邻,气化站内有2台循环流化床提高。Collot 等["11在固定床和流化床中，分别进行气化炉。1号气化炉生产的可燃气全都被用作水泥了煤与银杉木的共热解及共气化实验,在共热解实厂的生产燃料; 2号气化炉生产的可燃气部分被用验中均未观察到协同效应的存在;但是1000C所制作水泥厂的生产燃料,部分被用于气化站内发电。;混合焦,在固定床燃烧实验中的反应性是单一-煤焦用于发电的可燃气与天然气同时通往蒸汽锅炉,此的2倍,这显示了一种协同作用;而在流化床实验蒸汽推动汽轮机带动发电机发电,发电功率为中未观察到显著的协同作用,认为协同作用与生物2.8MW。质和煤颗粒间的接触有关。Sjostrom K等[4]分析煤(4)生物质气化合成化学品19,10],生物质气化与生物质共气化产生协同作用的原因,认为气化首合成化学品是指经气化炉中产生的中热值燃气,通先在木质生物质有机物质中最弱的共价键中发生热过一定的工艺合成为化学制品，目前主要是合成甲.裂解,形成的挥发分分解形成很多自由基,这些自由醇和氨。基加速了煤的氧化分解;木质生物质是富氢物质，近几年来,欧盟开发了木料气化制甲醇技术,已脱挥发分过程中产生的氢和煤自由基反应，阻止了建成4个示范工厂气化规模为4.8 ~12t(干木)/d，二次焦的形成; 木质生物质中的碱金属是煤气化的气化炉均为流化床气化炉,用水蒸气、氧气或空气作有效 催化剂,促进了煤的催化气化反应。Brown气化剂,产出中热值可燃气。生物质气化合成甲醇等5] 进行了富含钾盐生物质与煤的共气化研究,认的技术目前已达到了可商业化应用的阶段,但其产为生物质能极大地促进煤的气化反应,可作为廉价品的经济性尚不能与石油化工和煤化工相竞争。的煤气化催化剂。芬兰已建成一座生物质气化合成氨示范工厂,在德国位于柏林附近的Rudersdorfer Zement此厂是世界上第一一个以泥炭为原料采用气化合成Gmbh 公司水泥厂,使用鲁奇CFB气化装置处理垃氨的方法来生产化肥的厂家。其工艺是将湿度为圾,该装置1996年开始运行,最大能力100MW,以40%的泥炭,经低压蒸汽干燥(压力0. 4MPa) ,使湿工业废料和城市生活垃圾为主要原料,褐煤作辅助38(洁净煤技术)2008年第14卷第2期转化利用全国中文核心期刊矿业类核心期刊 (CA-CD 规范)执行优秀期刊J原料。生产的低热值热煤气用于一座200万Va水表l中国生物质气化炉概况泥回转窑的原料加热,排出的灰渣用作水泥原料,设热输出备的运转可用率达到90%以上。荷兰Nuon公司从类型型/J.b用途研究单位2000年4月开始进行煤与生物质共气化试验,使用G9Q-1100 (109-263)x0生产桃热广州施源所20%鸡场废物和80%的煤,以降低CO2排放量。该1.6x10王锅炉供热广州能源所公司计划使用的共气化原料包括:生物质(家禽废上吸式ND6006.27x10木材烘干中国农机院料、下水道淤泥、废木材、马路边的草)、助剂(石灰、QFF- 100001.25x10气化供气 山东能源所纸浆、膨润土).其它燃料(次烟煤、石油焦、热解下吸式QFF-200025x10气化供气山东能源所HQ/HD -280B店1.2x10*护用故事中国农机院焦)。另外计划建立新的发电量为1200MW的煤与循环1.316x10°生产供热广州能源所生物质共气化IGCC电厂。流化床9.2x10技术试验 中科院化治所5.76x10°发电 原商业部2国内的研究与 应用情况层式2.16x10发电江苏省粮食局(1)生物质气化,中国对生物质气化技术的深中热值0.67x10供气广州能原所人研究始于上世纪80a代。经过20多年的努力,尤其是近年来,国内加大了研究力度,使得中国生物质在生物质和惰性颗粒组成的不等密度体系中,浮升气化技术日趋成熟。目前已经成功开发出将生物质组分的质量分率大于50%时不能形成良好的流化转化成可燃气体的技术,如河北的ND系列、山东的状态。宋新朝等[2]在有机玻璃制成的圆柱型流化XFL系列、广州的GSQ一110型和云南QL50.60型床中,对玉米秆、稻秆、煤及其混合物的流化特性进气化设备;建成的多个生物质气化的供热、传热系行了冷态实验研究,得出单一生物质颗粒不能形成统,应用在不同场合取得了一定的社会、环保和经济良好的流化状态,而加入- -定量煤构成生物质和煤效益[6.16]。中国已研制的中小型生物质气化发电设2组分混合颗粒可以实现稳定流化,为确保正常流备功率从几千瓦到2Mw'm。秸杆燃烧发电在中国化,生物质的质量分率在混合颗粒中不宜超过正成为现实,中国首台秸秆混燃发电机组,已于50%，如图1所示。郭庆杰等1在沙子和锯末混合2005年底在华电国际枣庄市十里泉发电厂投运,该实验中发现,采用与锯末粒径接近的沙子颗粒可以机组每年可燃用10.5万t秸秆,相当于7.56万t标很好地混合,而用较大粒径的沙子时出现分离现象。准煤;另外,河南许昌、安徽合肥、吉林辽源、吉林德宋新朝等')得出生物质和煤混合颗粒在共流化时，惠、北京延庆等地也在建设秸杆发电厂。采用较接近的粒径范围,可使混合颗粒实现良好的目前，中国使用的生物质热解气化技术，主要有流化。固定床、流化床和直接千馏热解3种工艺形式,其中800最为主要的是以空气为气化剂的常压固定床气化技00玉米秆质量分数: 20%术。这类工艺不论是上吸式、下吸式或是平吸式的气流方式,都有设备结构简单、易于操作、可以实现E 400,玉米秆质量分数: 33%多种生物质原料的热解气化、投资少等特点。但是200)****玉米秆质量分数: 50%得到的生物质燃气热值低,一般只有5 000 kJ/0304050.6μ/msNm',且焦油含量高，容易造成管路堵塞。中国生物质气化炉的发展现状见表1田。團1玉米秆和煤混合物的流化曲线(2)生物质与煤共流化、共气化,在生物质与煤宋新朝等!1]在热天平和流化床实验装置中研共气化方面,中国近几年有了较深人的研究。煤和究了生物质与煤的共气化特性,在热天平实验中采生物质共燃烧.转化技术及生物质能技术目前已被用程序升温法,气化剂为水蒸气,得出物料的反应活列入国家“863”计划。煤炭科学研究总院北京煤化性顺序为:高梁秆焦>稻秆焦>玉米秆焦>神木煤工研究分院已联合中国科学院广州能源研究所申请焦,且在- -定温度下,生物质焦与煤焦混合物的气化了国家863计划课题:新型生物质与煤共气化装置碳转化率高于各自气化碳转化率的加和;在流化床及工艺开发,准备对生物质与煤共气化进行深入研气化实验中,比较了单独煤气化与稻秆/煤混合物气究,此课题现已得到国家批准。郭庆杰等[1)])指出，转化利用化的结果,得出混合物气化碳转化率、气体中可燃组[J].内蒙古工业大学学报1994,13(2):35 ~41.分的体积分数均高于单独煤气化，气体中CO2的体[4] Pilar-Aznar M, Gracia-Gorria F A, Corella J. Minimum积分数低于单独煤气化CO2的体积分数,这表明在and Maximum Veloeities for Fluidization for Mixtures ofAgriculural and Forest Residues with a Second Fluidized生物质与煤共气化过程中产生了协同效应。闫秋会.Solid I; Preliminary Date and Results with Sand- sawdust等[”)进行了煤与生物质共超临界水气化制氢的实Mixtures [ J]. Intemational Chemical Engineering,验研究,发现在产氢率和气化率上出现了明显的协1992, 32:95 ~ 10.同效应。这与Sjostrom K等[4)和Pan Y G等[1]的[5] McLendonTR, lui A P, Pineault RL,etal.。High-研究结果相一致。pressure co-gasification of coal and biomass in a fuidizedbed [J]. Biomass and Bioenergy, 2004, 26:377 ~ 388.3国内外发展趋势与前景[6]米铁,唐汝江,陈汉平 ，等.生物质气化技术及其研究发达国家由于生物质资源相对集中,多采用大进展[J].化工装备技术,2005 ,26(2) :50~56.型气化设备,设备自动化程度高;而中国目前生物[7]王鹏， 日本生物质应用实例和综合战略[J].洁净煤质资源较分散,难以集中利用,仍以发展小型设备为技术,2006,12(3):21 ~24. .主,且在基础理论和专项技术的研究方面与发达国[8]小宫山宏 ,迫田章义,松村幸彦、日本生物质综合战略[M].北京:中国环境科学出版,2005.家相比仍有较大的差距。世界各国都有大量的生物[9]刘国喜 ,庄新姝,尹天佑，等国外生物质气化技术的质资源,中国是农业大国,生物质能资源十分丰富,应用[J].农村能源,2000,4:12-14每年农作物废弃物就相当于6亿多吨标准煤,还有[10]马隆龙,吴创之,孙立.生物质气化技术及其应用约3亿t煤当量的林业废弃物(2)，而节能减排是当[M].北京:化学工业出版社,2003.今世界-致公认的举措,生物质气化在国内外有着[11] Collo A G, ZhuoY, Dugwell D R. Co-prolysis and co-广阔的市场前景,开发低焦油产率、高气化效率的气gasification of coal and biomass in bench-sceale fixed-化工艺是生物质气化的发展方向。生物质与煤共气bed and fluidised bed reactor [J]. Fuel, 1999 ,78:667化不仅可以弥补生物质单独气化时的某些缺陷，而~ 679.且有利于煤炭资源的可持续利用,并可减少CO2、硫[12] Pan Y C,Velo E,Roca X et al. Fluidized-bed co gasif-cation of residual biomass/poor coal blends for fuel gas氧化物及氮氧化物的排放量,对保护环境,节约化石production [J]. 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Minimum Fluid- [20] 宋新朝， 王志锋,孙东凯,等.生物质与煤混合颗粒流ization Velocities of Mixtures of Biomass and Sands [J].化特性的实验研究[J].煤炭转化,2005 ,28(1):74Energy ,2001 ,26:633 ~644.~77.[3]张颖,邹东雷,周游. 双组分颗粒系统的最小流化速度(下转第17页)洗选加工全国中文核心期刊矿业类核心期刊(CAJ-CD 规范)执行优秀期刊一常,其问题都出在煤泥水的处理环节上,其主要原因采用机械回收,主要设备要选择备用;三要解决煤有2点:一是管理不善;二是设备不配套。建议各泥的销路问题,消除煤泥堆积。选煤厂做到以下几点:-要不断提高管理水平,建立参考文献:洗水管理规章制度,加强洗水管理,减少清水用量，使水量平衡,保证回收煤泥后的洗水全部返回复用;[1] 卢武科.浅谈洗选过程中水力旋流器的影响与控制二要保证设备能力能满足生产需要,保证煤泥全部[J].煤炭加工与综合利用,2003(5) :22 -23.Simply analysis characteristics and treatment methods of the slime waterCHEN Kai-ling' , QIAN Kun2(1. China Coal Import and Export Company , Bejing 10011 ,China ;2. Liaoning Technical Uniersity ,Fuxin 123000 ,China)Abstract: The treatment of the slime water is an important tache in the coal preparation plant , which directly im-pacts on the coal preparation plant washing water closed circulation. In this paper , we elaborate the characteriticsof the slime water , and as the starting point, we focus on the trealment methods.Keywords :coal preparation; the slime water; flocculant(上接第40页)水气化过程中的协同效应[J]. 西安交通大学学报，21]宋新朝,李克忠,王锦凤,等. 流化床生物质与煤共气.2006, 40(5) :506 ~509.化特性的初步研究[J]. 燃料化学学报,2006,34(3):[23]阴秀丽 ,张伟铭,吴创之建立中国生物质能303 ~308.数据库系统[J].新能源2000,22(1):36 ~38.[22]国秋会 ,郭烈锦,梁兴.煤及生物质共超临界R&D and application of gasification technology ofbiomass and co-gasification technology of biomass and coalXU Chun xia , XU Zhen-gang, BU Xue-peng, DONG Wei-guo ,JI Xu-guo, YANG Zong-ren( Bejing Research Intite of Coal Chemistry ,China Coal Reserch Institue ,Bejing 1003 ,China)Abstract :This paper presents the characteristics of biomass material and it's shortcomings of separate gasification,the R&D and application status of biomass gasification technology and the co-gasification technology of biomas andcoal both domestic and abroad ，the development prospect and trend in this field both domestice and abroad and thesignificance of developing R&D of co-gsification technology of biomass and coal.Keywords :biomass; coal; co-gasification; synergistic effect欢迎订阅《洁净煤技术》杂志17