生物质气化的应用与研究

第26卷第6期可再生能源Vol.26 No.6 ，2008年12月Renewable Energy ResourcesDec.2008生物质气化的应用与研究赵连臣，李晓伟，王贵路,李继祥，张大雷(辽宁省能源研究所，辽宁营口15000)摘要:生物质能是一种重要 的可再生能源,利用生物质气化技术能实现CO,的减排.节约常规能源符合可持续发展的要求。文章介绍了自1664年Thomas shirly进行气化试验以来,历经几百年的发展,牛物质气化T艺和相关气化装覺已经取得了巨大的进步:阐述了近几十年来我国在生物质气化领域的发展历程和取得的研究成果;对生物质的气化机理、气化装置结构生物质气化技术的推广与应用.开发前景与经济效益进行了探讨。关键词:生物质;气化技术;气化机理中图分类号: S216.2; TK6文献标志码: A文章编号: 1671-5292(2008 )06- 0055-04The research and utilization on biomass gasificationZHAO Lian-chen, LI Xiao-wei, WANG Gui-lu, LI Ji-xiang, ZHANG Da-lei(Liaoning Institute of Energy Resources , Yingkou 115000,Cnina)Abstract: The biomass is a sort of renewable energies which could be used with gasification tech-nology to realize reducing of carbon dioxin emission and saving of the traditional energy resourcesfor the purpose of sustainable development. In this paper, authors have reviewed and studied sincethe early gasifying tests carried out by Themas Shirly in 1664 and a great progress had been ob-tained so far in the biomass gasification in the fields of the gasification mechanism within hundredsyears. And inter alia our country has emphasized on the development of biomass gasification tech-nologies and a deal of achievements had been received as well within recent 30 years. In the paper,the chemical process , structure & its optimization of gasification equipments, developmental futureand the economy well being have also been discussed on the basis of research achieves and devel-oping process.Key words: biomass; gasification technology ; gasification mechanism➊前言年,Thomasshirley就进行过简单的气化试验|+1。生物质能具有可再生、低污染、分布广泛等特20年后,DeanClayton进行了高温气化尝试,用高点,开发利用可再生资源是我国能源可持续发展温热解法制出了煤气。1792年,Murdock应用气化的一个主要方向"。以气化方式实现低品位生物产物进行照明。此后的100多年里,人们在这一领质能源的深层次利用，减少矿物燃料的供应量和.域内不断探索，做了大量的研究工作。1861 年，直接燃用矿物燃料给环境带来的严重污染，对提Siemens式气化炉正式投放市场，该产品的出现，高农村生活水平、改善生态环境、保障国家能源安在气化技术研究领域最具有突破意义。至此,气化全等具有重要意义4.3。技术作为一项能源转换技术，已被人们认可和接1国内外的研究历 史及现状受,并走上了进一步发展的道路。生物质气化技术有着悠久的历史,早在166420世纪30年代末到50年代初，在欧洲及其收稿日期: 2008-02-10作者简介;赵连臣(1968-).男，高级工程师，主要从事CDM椎广工作。E-mail:bjb2@Inenys.com.55.可再生能源.2008 .26(6)殖民地有数万个小型气化炉在运行(其中法国床和流化床气化炉得到了不同程度的开发和应用。4500个，,意大利2000个)。随着石油冶炼、运输2气化原理与装置技术的进步和前苏联、美国、中东石油大举进人市2.1气化原理”场，石油价格不断下降，石油被广泛地应用于生气化的基本原理是被气化物所含的周体碳，活、生产中,生物质气化技术因此在欧美等发达国在特定的条件下向一氧化碳转化的热化学过程。家基本失去了市场。第二次世界大战爆发后,化石因此,生物质气化技术包含2个内容,即热化学过能源被大量地应用于军事，石油危机也因此而出程和保证热化学过程顺利进行所需条件的装置。现,人们认识到化石能源不可再生、分布不均的弱热化学过程是相当复杂的，下述化学反应式可以点会制约国家的安全和发展，于是生物质气化技近似地描述该过程"0:术作为一种稳定的、可靠的能源开发技术被重新C+02←+C02+394 kJ(1)提上日程,并且发展迅速。20世纪70年代,美国、C+CO2←+2C0-172kJ(2)日本、加拿大、欧盟等开始了生物质热裂解气化技H20+C0←+C2+H2-2.89 kJ(3)术的研究与开发，到20世纪80年代，美国已有H20+C←→C0+H2-175 kJ(4)19家公司和研究机构从事生物质热裂解气化技C+2H←+CH+75 kJ(5)术的研究与开发，美国可再生能源实验室和夏威在上述5个化学反应式中,式(1)是至关重要夷大学还进行了生物质燃气联合循环发电系统的,通过式(1)的氧化反应所放出的热量使炉内的(BIGCC)的研究间。荷兰twente大学进行了流化床温度升高，保证其余反应能够顺利进行。试验表气化器和焦油催化裂解装置的研究，推出了无焦明，温度是衡量气化过程进行顺利与否的一个重油气化系统，还开展了将生物质转化为高氨燃气、要影响因素。要使气化过程顺利地进行,能量的供生物质油等高品质燃料的研究,并结合燃气轮机、给是必不可少的，装置内反应区的温度对气体中斯特林发动机、燃料电池等转换方式，将生物质转可燃成分的比例以及气化强度有重要影响。随着化为电能。在应用方面,国外的生物质气化技术和反应温度的升高,气化速率随之加快,CO2含量减装置大多实现了规模化产业经营，美国的生物质少，可燃成分增加。如将上述5个化学反应式相能消耗量占其一次能源消耗量的4%，瑞典占加,则得:16%，奥地利占10%。 在美国,生物质发电的总装4C+O2+2H20- +CO2+2C0+CH4+121kJ (6)机容量已超过10000 MW ,单机容量达10-25 MW。式(6)表明,当75%的C元素被气化为可燃我国在生物质气化技术研究领域起步较晚，气体后 ,余下的121 kJ热量已不足以驱动反应式虽然在20世纪40年代就开发出用木炭气化炉产(2), (4)的进行,而反应式(3),(5)因为没有CO,气驱动汽车的技术，但是由于种种原因生物质气H2也不能进行，因此气化效率的最高值为75%左化技术未能取得进- - 步发展。直至20世纪80年右，余下的热量主要消耗在空气和原料的升温过代,受能源紧张和环境问题的影响，我国才重新开程中，气体和灰分也带出了大量的热。始了生物质气化技术的研究工作，并建立了一支2.2气化装置专门从事生物质气化技术研究的队伍，其中中国完成气化反应的装置称作气化炉。按床体的科学院广州能源研究所.中国农机院、山东省科学结构可将气化炉分为固定床气化炉和流化床气化院能源研究所、中国林科院林产化工研究所、辽宁炉2种。根据原料与气化剂在炉内的走向，可将固省能源研究所等单位在各自的研究领域中做出了定床气化炉分为上吸式、下吸式.横吸式、开心式自己的贡献。1981 年，由江苏省粮食局与红岩机4种形式。表1为上吸式气化炉炉内的分区情况。器厂联合研制成功了我国第1台160kW稻壳气图 1是上吸式气化炉的示意图，按反应温度可将化发电装置; 1998年，第1台功率为1 MW的循气化过程分为4个阶段,4个气化阶段在炉体内4环流化床气化装置与内燃机发电机组配套的稻壳个不同区域内进行。由于结构不同,各种气化炉的气化发电机组在福建莆田华港米业公司的碾米厂分区情况有所不同,流化床炉内温度均衡,其内部成功运行。在这20多年里,多种较为成熟的固定分区情况不十 分明显。.56.赵连臣,等生物质气化的应用与研究表1上吸式气化炉气化反应分区情况可用于药品、果品、茶叶、谷物的烘干。实践表明,Table 1 Temperature distribution in updraft gsifer生物质气化气用于干燥,具有火力强、升温快的特反应温度/C反应类型反应过程干燥区100-200物理过程 湿生物质+热量干生物质+水气点,与电或蒸汽等热源相比,具有明显的节支、节热解区200-500干馏过程 干生物质+热量→焦炭+C02+CO+能效果。气化炉还可与专用小型锅炉匹配,为中小还原反应H0+CH4+C+C;H+焦油+焦 木酸企业供暖,经济实用;生物质气化气也可用于农村氯化区800-1200氧化反应 C+O+HL0O →2CO+H+C0+热量集中供气，如辽宁省能源研究所研制的生物质气还原区500-800还 原反应CO+C-+C0,C+2H2 +CH化集中供气供暖系统已经被广泛应用，极大地改↓原料善了农村地区的卫生环境和居民的生活水平。(2)气化发电酸除本分生物质气化气经净化后可用于发电。在我国，生物质<赛发分气化发电技术已进人实用阶段。须要强调的是,低C+H0 -H+CO热值燃气发动机的研制尚不能满足实际需求,其原因主要是投资高,效益不明显,因此使科研工作300100 7w 500 300监度T(KI的深度和广度一时难如人意。这项技术的进展将圈1上吸式气化炉示意圈为电力缺乏或国家电网无法达到的地区，提供一Fig.l Schemetic of updraft gasifer个新的选择。气化炉炉型不同，其生产性能和产气用途也4开发前景与经济效益不尽相同。一般来说,直接燃烧对气体质量要求较利用生物质能可以实现CO2的零排放,从根低,气化发电对气体质量要求较高,特别是对气体本上解决使用化石能源带来的温室效应问题。开内焦油含量要求较为严格(表2)。发利用生物质能有利于改善生态环境，不会遗留表2不同构造的气化炉的主要性能指标有害物质或改变自然界的生态平衡，对人类的可Table 2The main characeristics of gasiliers of dfferent structure持续发展具有重要意义，很多国家把生物质能利气化炉类型上吸式下吸式层式流化床用技术作为一项重要的能源技术来发展。原料粒度/mm 5 -10020-100 40-80<10我国农村地区目前仍以生物质能为主要能原料含水率/% <60<1<<20热效率低中源,能源转换技术落后,效率低下且污染环境,农生产强度高很高民生活质量难以提高,迫切要求改善燃料结构,提气化焦油含量最少较高高能源利用效率。我国生物质能资源极为丰富,每气体用途直接燃烧燃烧、发电发电发电、供气年秸秆产量约6亿t,相当于4亿t标准煤。薪柴3生物质气化技术的推广 与应用和林业废弃物数量也很大,仅林业废弃物(不包括我国农林生物质资源十分丰富，农作物秸秆薪炭林)的产量就达3700万m/a,相当于2000总产量约6亿ta,除用于造纸、畜牧饲料、还田肥万t标准煤。如果考虑日益增多的城市垃圾、生活料、工业原料及炊事燃料外，可作为能源加以利用污水、禽畜粪便等其它生物质资源,我国每年的生的秸秆总量约3亿tll"。此外,还有许多以生物物质资源量达6亿t标准煤以上。由于这些废弃质为原料的各类生产企业，在生产过程中产生大物品位低,分布面广,往往被随地堆放或烧毁,既量的生物质废弃物。生物质废弃物的有效利用,对浪费资源又危害环境。如应用生物质气化技术将防止污染,回收资源,改善环境具有重要意义。生这些生物质资源转变为高品位能源加以利用,对物质气化气是一种低热值可燃气，主要有2个应缓解能源紧张,改善生态环境将起到重要作用。因用领域。此,生物质气化技术有着广阔的发展前景。(1)直接用作燃料5存在的问题和对 策生物质气化气可用于木材干燥,气化气燃烧产5.1 气化气成本问题生的干热气体直接进入干燥窑烘千木材，无需换由于供气规模较小，生物质气化辅助系统的热设备,比老式窑炉节能50%以上,与换热器匹配投资远远大于气化系统的运行成本，从而使得气.57.可再生能源2008 .26(6)化气的成本较高,与现有的煤气相比优势不明显。应器试验研究[J化学T程.2003( 10):26-31.要降低气化气的生产成本，一是尽可能提高气化2] 闫丽珍.闵庆文。成升魁中国农村生活能源利用与生气的热值,二是扩大气化气的供气规模。物质能开发|资源科学.2005<(1):8-13.[31 邓立新生 物质的洁净转化和综合利用J.化学教育,5.2焦油问题2004(2):10-12.焦油是影响气化气使用的最大障碍。气化气[4] ALBRECHT KAUPP JOHN R.Goss small scale gas中存在焦油，不但使气化发电系统与供气系统无prnducer -enpgine systems|M]. W ieshuden:V ieweg.1984.法长期稳定运行,还会引起二次污染。彻底解决焦[5] L P WHITE. K G PLASKETT.Biomass as fullM].Lon-油问题的方法就是把焦油裂解为永久性气体。目don: Academie press,1981.前已有焦油热裂解与催化裂解的试验，但距实际[6] W PAIZ. P CHARTIFR. Energy from biomass in Eu-应用仍有一段距离。rope[Ml.london: Greal Briain Press,1980.5.3二次污染问题[7] W RAMSAY SMITH. Energy from forest biomass([M],生物质气化发电在经济上有较大优势,但灰New York: Academie Press, 1982.及废水污染问题仍没有彻底解决，成为推广气化[8] C0OK J,BEYEA J. Bioenergy in the Uniled States:propgtess and pssilitisi J].Biomass and Bioenergy,发电技术的主要障碍。灰污染问题的处理办法比200.18.441-445.较简单，只要提高气化效率,并对灰进行煅烧处[9] 张百良.农村能源 I程学{M].北京:中国农业出版社,理,即可消除灰污染。水洗除焦产生的废水则比较1999.难处理,根本方法就是减少焦油的产生。[10]马降龙生物质气化技术及其应川[M].北京:化学工业出版社.2003.参考文献:[I中国农机学会科技交流中心农作物秸秆利用技术与[川| 米铁.张春林.刘武标，等.流化床作为生物质气化反设备|M.北京:农业出版社, 1996.(上接第54页)[12] FREDA R H, INES H, GODFREY K, el al. ConinuousInluence of temperalure on the anaerobie acidificationdark fermenlalive hydro gen production by mesopHilieof glucose in a mixed culture forning part of a (wo-microora: Principles and prugress [JI.Internationalstage digestion prxcess [J,Water Research,1982. 16Journal of Hydrogen Energy . 200732 (2):172-784.(3):313-321.[13] GODFREY KYAZZE. Hydrogen production via dark[7] I.IN CY, CHANG R-C. Hydrugen production during thefermentation of earbohydrale-rich substratrs[DJ.Clamor-anaerobic acidogenie conversion of glucose IJ]Journalgan: the University of Glamorgan,2007.of Chemical Technology & Bictechnology.199.74(6):498-500.[8] MIZUNO 0, DINSDALE R, HAWKES FR, et al. En-我国农村沼气工程建设将进一步提速:hancement of hydrogen production from glucose by ni-trogen gas spurging UJI.Bioresource Technology,日前，国务院确定将农村沼气作为进一步扩大内2000.73(1):59-65.需的措施之一,今年中央将追加投资,使今年新增户用↓[9] MU Y, YU H-Q. Binlogical hydrogen production in a沼气池超过500万口。UASB reactor with granules l:yscochemiral charac-实践证明,发展农村沼气工程,既能有效解决农民↓teristics of hydrogen-produring granules[J).Biotechnol-生活能源问题,又能获得农业生产所需的有机肥料,改↑ogy and Bioengineering 2006.94(5):980-987.{10) REN N, WAN(; B, MA F. Hydrogen bhio-pnduction of善农村人居环境,具有良好的经济效益、生态效益和社↑carbohydrate fermentation by anuerobie artivated sludpe. 会效益。农村使用沼气效果突出,受到广大农民的普遍proress[Al. Water environment 68th annual confer-↑欢迎。下一步各级农业部门将迅速行动,采取措施,加ence[CI. Miami Beach: w ater environment federal,!快农村沼气工程建设进度。同时,加快推进农村沼气服1995.145-153.↓务体系建设,以扶持建设乡村服务网点为重点,构建包↓[叫APHA. Standard methods for the examinaion of eater↑括实训基地、服务站和服务网点为主要内容的较为完and waste water |M]. [ asington DC; Ameriean Pu blic善的沼气服务体系,到2010年使服务能力覆盖70%以Health Asociation,1995.↓上的沼气农户。(摘自新华网)●58.