生物质气化技术原理及应用分析

区域供热2010.3期生物质气化技术原理及应用分析福建省电力勘测设计院郑昀济南锅炉集团有限公司邵岩李斌【摘要】生物质能是一种理想的可再生能源。由于分布广泛、有利于环保等特点,因而越来越受到世界各国的关注。生物质气化技术是利用生物质能的一种方式。本文介绍了生物质气化技术的原理,生物质气化工艺及气化设备目前应用较多的气化技术是生物质气化供气和生物质气化发电技术文中提出了应用过程中存在的问题,提高效率、降低焦油含量等是今后利用生物质气化技术的发展方向。【关键词】生物质气化原理气化技术应用前言1生物质气化技术生物质能是指由光合作用而产生的各种1.1生物质气化技术的原理有机体,光合作用利用空气中的二氧化碳和生物质气化是利用空气中的氧气或含氧土壤中的水,将吸收的太阳能转换为碳水化物作气化剂在高温条件下将生物质燃料中的合物和氧气。生物质通常包括农业废弃物、可燃部分转化为可燃气(主要是氢气、一氧化材及森林工业废弃物、禽畜粪便、城镇生活垃碳和甲烷)的热化学反应。20世纪70年代,圾以及能源作物等几种类型。生物质能具有 Ghaly首次提出了将气化技术应用于生物质以下特点:(1)属于可再生能源,可保证能源这种含能密度低的燃料。生物质的挥发分含量的永续利用;(2)种类多而分布广,便于就地一般在76%86%生物质受热后在相对较低利用,利用形式多样;(3)相关技术已经成熟的温度下就能使大量的挥发分物质析出。几种可贮存性好;(4)节能、环保效果好。常见生物质燃料的工业分析成分如表1所示:表1几种生物质的工业分析成分工业分析成分种类水分(%)挥发分(%)固定碳(%)灰分(%)低位热值(MJ/kg)杂草54368.7716.49.4616.192豆秸5.106574.617.123.1316.146稻草4.9765.1116.0613.8613.970麦4.3967.3619.358.9015.363玉米秸4.8771.4517.755.9315.450玉米芯15.076.607.001.4014.395棉秸6.7868.5420.713.9715.99139区域供热2010.3期为了提供反应的热力学条件,气化过程的空气发生反应,同时释放大量的热以支持需要供给空气或氧气,使原料发生部分燃烧。生物干燥、热解和后续的还原反应,温度可达尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气到1000~1200℃中,气化后的产物含有H2、CO及低分子的(4)还原过程还原过程没有氧气存在,CHn等可燃性气体。整个过程可分为:干燥、氧化层中的燃烧产物及水蒸气与还原层中木热解、氧化和还原。炭发生反应,生成氢气和一氧化碳等。这些气(1)干燥过程生物质进入气化炉后,在体和挥发分组成了可燃气体,完成了固体生热量的作用下,析出表面水分。在200~300℃物质向气体燃料的转化过程。时为主要干燥阶段。1.2气化工艺(2)热解反应当温度升高到300℃以上生物质气化有多种形式,如果按气化介质时开始进行热解反应。在300~400℃时,生物可以分为使用气化介质和不使用气化两种,前质就可以释放出70%左右的挥发组分,而煤者又可以细分为空气气化、氧气气化、水蒸气要到800℃才能释放出大约30%的挥发分热气化、氢气气化等,后者有热分解气化。不同气解反应析出挥发分主要包括水蒸气、氢气、化技术所得到的热值不同,因而应用领域也有氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氢化合物。所不同3。如表2所示为不同气化工艺技术产(3)氧化反应热解的剩余木炭与引入生可燃性气体的热值及其主要的用途。表2不同气化工艺技术的用途气化技术可燃气体热值(标准状态)(kJ/m3)用途空气气化5440~7322锅炉、干燥、动力氧气气化10878~18200区域管网、合成燃料水蒸气气化10920~18900区域管网、合成燃料氢气气化22260-26040工艺热源、管网热分解气化10878-15000燃料与发电、制造汽油与酒精的原料1.3气化设备上吸式固定床气化炉气化炉是生物质气化反应的主要设备。按气化炉的运行方式不同,可以分为固定床、固定床气化炉下吸式固定床气化炉流化床和旋转床三种类型4。国内目前生物质下吸式固定床气化炉气化过程所采用的气化炉主要为固定床气化生物质气化炉鼓泡床气化炉炉和流化床气化炉。固定床气化炉和流化床气化炉又有多种不同的形式,其各种类型如流化床气化炉循环流化床气化炉图1所示。双流化床气化炉1.3.1固定床气化炉35携带床气化炉固定床气化炉是一种传统的气化反应图1生物质气化炉的分类炉,其运行温度大约为1000℃。固定床气化炉化。其主要优点是产出气在经过裂解层和干可以分为上吸式、下吸式和横吸式气化炉。燥层时,将其携带的热量传递给物料,用于物上吸式气化炉中,生物质原料由炉顶加料的裂解和干燥,同时降低自身的温度,使炉入,气化剂由炉底部进气口加入,气体流动的子的热效率提高,产出气体含灰量少。方向与燃料运动的方向相反,向下流动的生下吸式气化炉中,生物质由顶部的加料物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解、气口投入,气化剂可以在顶部加入,也可以在喉40-区域供热2010.3期部加入气化剂与物料混合向下流动该炉的解反应,第Ⅱ级反应器中进行气化反应。双流优点是,有效层高度几乎不变、气候强度高、化床气化炉炭转化率较高。工作稳定性好、可以随时加料,而且气化气体携带床气化炉是流化床气化炉的一种特中焦油含量较少但是燃气中灰尘较多出炉例,其运行温度高达1100~1300℃,产出气体温度较高。中焦油成分和冷凝物含量很低,碳转化率可横吸式气化炉中,生物质原料由气化炉以达到100%顶部加入,气化剂从位于炉身一定高度处进2生物质气化技术的应用入炉内,灰分落入炉栅下部的灰室。燃气呈水2.1生物质气化供气平流动,故称作横吸式气化炉。该气化炉的燃生物质气化供气技术是指气化炉产出的烧区温度可达到200℃超过灰熔点容易结生物质燃气,通过相应的配套装备,完成为居渣。因此该炉只适用于含焦油和灰分不大于民供应燃气的技术。生物质气化供气系统工5%的燃料,如无烟煤、焦炭和木炭等。艺流程如图3所示。1.3.2流化床气化炉流化床燃烧技术是一种先进的燃烧技生物质气化组术。流化床气化炉的温度一般在750~800℃。原料气化炉燃烧净化器风机水封器这种气化炉适用于气化水分含量大、热值低、着火困难的生物质物料,但是原料要求相当燃气管网阻火器气柜小的粒度,可大规模、高效的利用生物质能。按照气固流动特性不同,流化床气化炉分为图3生物质气化供气系统工艺流程图鼓泡床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床生物质原料首先经过处理达到气化炉的气化炉和携带床气化炉。使用条件,然后由送料装置送入气化炉中,不鼓泡床中气流速度相对较低,几乎没有固同类型的气化炉需要配备不同的送料装置。体颗粒从中逸出。循环流化床气化炉中流化速所产生的可燃气体,在净化器中除去灰尘和度相对较高,从床中带出的颗粒通过旋风分离焦油等杂质。经过净化后的气体经过水封,由器收集后,重新送入炉内进行气化反应。鼓风机送入储气罐中,水封相当于一个单向双流化床与循环流化床相似,如图2所阀,只允许燃气向储气罐中流动。储气罐出口示,不同的是第1级反应器的流化介质在第Ⅱ的阻火器是一个重要的安全设备。最后,燃气级反应器中加热。在第1级反应器中进行裂通过燃气供应网统一输送给用户。可燃气烟气目前,生物质气化供气技术已经在山东、辽宁、吉林、安徽等十几个省市推广开来,已经成功气化的生物质包括玉米芯、玉米秸、棉柴和麦秸等。2.2生物质气化发电技术气化剂碳粒燃烧炉生物质气化发电技术是目前研究与应用生物质最多、装备最为完善的技术。目前,生物质气砂子化发电有三种方式:高温砂子(1)作为蒸汽锅炉的燃料燃烧生产蒸汽气化剂空气带动蒸汽轮机发电。这种方式对气体要求不图2双循环流化床示意图是很严格,直接在锅炉内燃烧气化气。气化气41-区域供热2010.3期经过旋风分离器除去杂质和灰分后即可使望成为21世纪的新型发电技术。用。燃烧器在气体成分和热值有变化时,能够3生物质气化技术面临的问题及展望保持稳定的燃烧状态,排放污染物较少。生物质能在我国是仅次于煤炭、石油和(2)在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。天然气的第四种能源资源,在能源系统中占这种方式对气体的压力有要求,一般为10有重要地位。当前,生物质气化技术在实际利30kg/cm2。该种技术存在灰尘、杂质等污染问用过程中,还存在以下几个主要问题题。(a)生物质灰熔点低、碱金属元素含量(3)在内燃机内燃烧带动发电机发电。这高,直接燃烧易结焦和产生高温碱金属元素种方式应用广泛,效率高。但是该种方法对气腐蚀;体要求极为严格,气化气必须经过净化和冷(b)生物质气化时,渣与飞灰的含碳量较却处理。高,气化效率低;大型的生物质气化发电系统均采用燃气(c)燃气中焦油含量高,容易导致产生含轮机发电机,这是目前世界上最先进的生物焦废水以及影响设备的正常运行;质发电技术。该系统包括两种发电技术:整体(d)目前气化发电机组的尾气余热回收气化联合循环(IGCC)和整体气化热空气循环效果不好,造成整个系统效率较低。(IGHAT)。所以,降低燃气中的飞灰和焦油含量提由于燃气轮机系统发电后排放的尾气温高系统效率和可靠性是今后利用生物质气化度大于500℃,所以增加余热锅炉和过热器产技术的主要研究方向。我国生物质能资源十生蒸汽,再利用蒸汽循环,可以有效提高发电分丰富,仅各类农业废弃物的资源每年即有效率,这就是生物质整体气化联合循环,其发3.08×108t标准煤,薪柴资源量为1.3×10t标电工艺流程如图4所示。准煤。第15次世界能源大会将生物质气化技空气Q高温过滤器蒸汽轮机术确定为优先开发的新能源技术之一目前,500℃原料裂娜炉我国已经建立了500个以上的生物质气化应用工程,连续运行的经验表明,生物质气化技空气术对处理大量的农作物废弃物、减轻环境污染、提高人民生活水平等多方面都发挥着积气化炉分离器燃气轮机极的作用。参考文献图4生物质整体气化联合循环工艺流程图【1]吴正舜创之,郑舜鹏4MW级生物质气化发电该系统由物料预处理设备、气化设备、净示范工程的设计研究[J]能源工程,2003,3:14-化设备、换热设备、燃气轮机、蒸汽轮机等发17电设备组成。功率范围在7~30MW,整体效率]Gahly Piskoretal The Hydro gasification of可以达到40%。 wood [J]. IndEngCheMres, 1988,27: 256-264.[3]李传统,新能源与可再生能源技术[M],东南大学整体气化热空气循环(IGHAT)技术正处出版社,2005于开发阶段,它和IGCC的主要区别在于用一[4]骆仲泱,张冀强,姚向军中国生物质能利用技术个燃气轮机代替了后者的燃气轮机和汽轮评价[J],中国能源,2004,26(9):39-42机。由水蒸气和燃气的混合工质通过燃气轮[5]刘荣厚牛卫生张大雷生物质热化学转换技术机输出有用功,其整体效率可以达到60%,有[M],化学工业出版社,200542