生物质气化技术的研究进展

Vol.40 No. 12化工新型材料第40卷第12期●22●NEW CHEMICAL MATERIALS2012年12月生物质气化技术的研究进展.武卫荣崔淑贞高文超(济宁学院化学与化工系，曲阜273155)摘要生物质能是一种理想的可再生能源，由于其储量大、低污染.热值高等优点,现已被广泛开发利用。论述了生物质气化技术的基本原理,反应过程及影响气化特性的因素,如温度、气化介质、催化剂。并对当前国内外生物质气化技术应用现状进行概括,最后就生物质气化技术存在的问题提出几点建议。关键词生物质气化, 气化介质.催化剂,碳转化率Research progress of biomass gasification technologyWu Weirong Cui Shuzhen Gao Wenchao(Department of Chemistry and Chemical Engineering ,Jining University ,Qufu 273155)Abstract Biomass energy is one kind of ideal regenerative energy resource. Due to itossessed large storage, lowpollution and high calorific value,it has been widely developed. The basic principle of biomass gasification , the course of re-action and the influences of operating conditions on the applications of boomass gasification such as temperature, gasfier a-gent,catalyst were introduced. Meanwhile the application situation of biomass gasification technology was described. Final-ly, some advices about the existing problems were put forward.Key words biomass gasification,asifying media,catalyst, carbon conversion能源关系到我国经济的快速增长和社会的可持续发的排放少,减轻环境污染;生物质将炭和能量以COr形式固展。为此探寻可再生的绿色无污染能源是当务之急。据联定,CO2排放量等于C固定量,故生物质是一-种CO2零排放的合国调查资料显示,东南亚各国42%的能源消耗来自生物质，可再生资源，避免了温室效应加剧13.7]。非洲占58%。我国农村主要的生活能源也是生物质能[2],其1.2生物质气化基本原理和气化过程在地球上的储量丰富,低污染,热值高，具有可再生性。很多生物质气化原理指在- -定热力学条件下,借助空气、水蒸国家已经建立起生物质IGCC系统发电示范基地[3]1,利用费气的作用，使生物质高聚物发生热解、氧化还原、重整反应,热托合成工艺将合成气转变为甲醇、二甲醚等液体燃料[°。对解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化为小分子碳氢化合我国而言，开发经济高效的生物质能可有效缓解能源危机,改物，获得含CO、H2和CH,气体[8]。善当前劣性环境,对建立资源节约型社会有重要意义，现已被生物质气化过程根据反应温度和产物不同，可以分为4列人我国21世纪发展议程'5。个阶段:干燥阶段、热解阶段、氧化还原阶段和净化阶段。干燥阶段:脱除水分,物料化学组成几乎不变[9]。1生物质气化基本原理及 反应过程热解阶段:生物质初步裂解炭化，脱除挥发分(主要是碳1.1生物质的定义及优点氢气体、氢气焦油、水蒸.-氧化碳、二氧化碳),得到固定碳生物质指利用大气,水,土地等通过光合作用而产生的各和灰分。种有机体。美国能源部(DOE)把生物质定义为:生物质是来氧化还原阶段:固定碳与O2共燃生成CO.CO:和H2O,源于植物和动物的有机物质。月前我们开发利用的主要是富放出大量热为碳的深层气化提供能量。含纤维索和木质素的生物质.净化阶段:产出气夹带少量水蒸汽焦油、碱金属及氨,须能源问题不仅关系到我国经济的快速增长和社会的可持经冷却器除尘器、水喷淋塔将它们除去后,方可输送到燃气续发展，也关系到生物质能指直接或间接地通过绿色植物的设备。光合作用,把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内2影响生物质 气化工艺的因素的能量0。生物质能得到世界各国的关注,因其有许多优于传统化石能源的特点:生物质具有可再生性,原料具有多样性气化过程中有很多因素影响产出气的组成和热解速率，和广泛性，资源开发潜力大国;生物质挥发分含量高、H/C和比如气化介质、反应温度、催化剂种类、反应物粒径、传热方法O/ C比高、空隙率大孔径大,有利于着火和燃烧，反应活性等,这里仅详细讨论反应温度、气化介质、催化剂对气化工艺更好;生物质的硫、氮、灰分含量少，硫化物、氨氧化物和粉尘的影响。基金项目:山东省绿色制造与节能减排科技发展计划项目第12期武卫荣等:生物质气化技术的研究进展●232.1反应温 度的影响李永玲等[1)以秸秆热解产生的焦油为研究对象，在固定温度是生物质气化过程中重要的工艺参数,对产出气的床焦油催化裂化反应器上，分别以高铝砖、白云石、石灰石为种类及组成分布、热解速率及反应的热量变化有很大影响。催化剂,研究催化剂种类及尺寸对焦油催化裂化的影响实验。随温度升高，气体产率增加，反应速率增大，而对产品气组成结果表明催化剂的使用提高了焦油的转化率。在低于800"C影响则随实验条件的不同而不同。的区间石灰石催化效率最好,大于800C的高温区,白云石的乌晓江等0]利用沉降式加压气化炉研究各参数对气化特催化效果超过石灰石。白云石和石灰石共催化下合成气体积性的影响时发现高温利于气化反应向吸热方向进行,在分数更大,高铝砖的催化效果对合成气量的贡献随反应温度1600°C~ 1700C碳转化率高达90%,冷煤气达50%左右,合升高而增大。催化剂对焦油裂解起重要作用，催化剂的使用成气产量随O/C比的增加,呈现先增后减的变化。Song Tao减少了焦油产出,净化了气化设备,提升了产品气质量，催化等[1研究串行流化床制氢的实验中得出高温利于合成气生产裂解焦油理应是解决焦油问题的优良方法。和焦油分解，温度由720C升至920C过程中,CO含量显著增3生物质气化技术的应用加，820C时H2产率和碳气化率有最大值。温度升高,H2和CO的产率曲线都呈上升趋势。3.1生物质制氢技术及 甲烷合成2.2气化介 质的影响生物质热化学转换制氢指将生物质通过热化学反应转化目前生物质气化技术中采用的气化介质有空气气化、富为富氢气体。氢气来源于生物质原料的热解气化以及焦油等氧气化、二氧化碳气化.空气-水蒸气气化和水蒸气气化。纯水烃类物质的热裂解。蒸气作为气化介质,对反应容器压强有更高要求.而且后期的李克忠等1间研究煤和生物质共气化制取富氢燃气后发维护修理困难,花销大。空气气化介质操作及维护都较方便，现,对煤和稻草混合体系Fs/Fc质量比(Fs/Fc-水蒸气的质较为常用,但是空气中富含大量的N,降低了氧浓度,使得产量流率( kg /h) /碳的加料速率(kg/h))增加利于CO2和出气品质降低5.12。CH,生成,但降低了CO和H2含量。生物质比增加,气化炭在空气水蒸气中气化可获得高热值的合成气,运行生产比例降低,煤气中的CO2、H2和CH增加,CO含量减少;空气成本低。苏德仁等[5报道了水蒸气量、生物质量对气化特性当量比增加,不利于合成气的生成，气体产率呈先增后减的变的影响。结果表明:温度升高,增加水蒸气量可明显提高气化化;对于3种不同的煤与生物质混合体系,煤与高粱秆共气化效率，碳转化率高达91%以上。选择富氧气体(或含水蒸气)所得煤气中H2含量最高,实验中H2在煤气中的体积分数最避免了N2对氟的稀释,降低了热解平衡温度,加快气化反应，高可达37. 25% ,最大产率为0. 54 m2 /kg.提高了碳转化率和合成气产率，优化了产品组成。江程程LiRongping等9)研究了厨余废物及牲畜粪便发酵消化等D4采用平板式固定床反应器研究N,水蒸气和CO2气氛生产甲烷的实验,结果表明: KW(kitchen wastes)和CW(cattle中裂解气组成及其特性时发现在3种介质中H2.CH .CO体manure) 共同消化中的协同作用,酸碱环境及纤维结构对甲烷积分数均随温度升高而增大。相对于N;和CO2 ,生物质在水产率有不同程度的影响。向KW中混入NaOH、向CW中混蒸气氛围中气化效果更好,气体产率、气体热值、碳转化率有入硫酸强化了发酵消化进程,KW和cw联合消化作用使甲最佳值。烷产率提高了44%,向Kw中加人NaOH使得甲烷产率增加2.3催化剂的影响了32% ;同样,用酸处理的CW比未处理的CW消化发酵后放生物质热解气化过程中产生大量焦油,在高温气化阶段出更多甲烷,CW中纤维结构的改变利于甲烷的生成。尽管有部分焦油二次裂解,但-段时间后焦油还是会积累在3.2生物质气化发电技术管壁上形成厚厚的油层，堵塞管道影响气体的输送,加速设备世界上比较典型的生物质气化发电模式有IGCC(整体气老化,对于热解气化过程以及相关的设备都有不利的影响,因化联合循环)发电系统和Batelle生物质气化发电系统。王红此使用催化剂加快对焦油的催化裂解.解决设备清洁安全问.梅等(0)从反应动力学角度出发,假定过程恒温，在RAKESH题,保证正常的热解气化过程是很有必要的。刘海波等([5]研GOVIND煤气化模型基础上建立了完整动力学模型,确立控究了含不同金属助剂的Ni基催化剂Ni/PG对焦油去除率和制器相应参数的调节方向，确定最佳的气化参数设定值，获得氢气收率的影响。实验结果表明，含铁助剂的6%Ni/PG催化高热值、高品质的燃气用于发电。实验结论反映出温度在整剂对焦油裂解最有利,氢气收率最高;铁含量增加有利于催化个气化过程中对产出气组成的影响。Cormas C C2)也报道了剂活性的提高,到铁助剂含量为8%时,焦油裂解转化率由生物质和煤联合气化并结合CCS( carbon capture and storage)64. 4%升高到99% ,而且气体产物产率也增大,但镍金属价格方法制取氢气,利用IGCC发电系统将氢能转化为电力。昂贵,成本高。IGCC和cCS的综合系统在碳的重新捕获及再利用中起显著Wang Tieun等163研究鼓泡流化床气化系统中B104铁作用,这种联合气化作用提高了I6CC系统能源利用率,大大镁基氧化物催化剂和Ni0MgO催化剂的高活性催化作用对降低了COr排放量。重整反应的影响后得出:750C时出口气体中H2和C摩尔4结语体积分数均明显增加,CH、CO2、C2摩尔分数降低，此时催化剂活性最高,CH4转化率达91% ,CO2转化率为93%,可得到目前世界很多国家在生物质能利用方面已取得了显著成较理相的合成气。就.建立了规模化的产业系统，特别是在发电、传热及燃气合●24●化工新型材料第40卷成方面。我国也已掌握了生物质能开发利用的技术，对生物[9]赵廷林,王鹏,邓大军,等生物质热解研究现状与展望[J].新质热解气化机理了解深人。但是生物质能在我国没有得到应能源产业,2007,<5):54-60.有的重视程度.生物质能利用技术没有得到推广,建议如下:[10]乌晓江 ,张忠孝,朴桂林,等高温加压气流床内生物质气化特①国家应加大生物质能开发的资金投人，引进先进设备性的实验研究[J].动力工程，2007.27(4) :630 634.[11] Song Tao, Wu Jiahua, Shen Laihong.et al. 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