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 62008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115000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CO2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艺和相关气化装置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:S2162;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.0前言年, Thomas shirley就进行过简单的气化试验。生物质能具有可再生、低污染、分布广泛等特20年后, Dean Clayton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,髙农村生活水平、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围。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1664中国煤化工切,在欧洲及其收稿日期:200802-10CNMHG作者简介:赵连臣(1968-),男高级工程师,主要从事CDM推广工作。E- mail可算失能源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、中东石油大举进入市21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固体碳,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吗术作为一种稳定的、可靠的能源开发技术被重新C+O2+CO2+394k提上日程,并且发展迅速。20世纪70年代,美国C+CO2→2C0-172kJ日本、加拿大、欧盟等开始了生物质热裂解气化技H2O+CO++CO2+H2-2.89kJ(3)术的研究与开发,到20世纪80年代,美国已有H2O+C+CO+H2-175kJ(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(BGC)的研究。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氢燃气、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+02+2H,0-C022C0+CH++121kJ(6)机容量已超过10000MW,单机容量达10-25MW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121k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一步发展。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22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1MW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由王结均不同,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中国煤化工度均衡,其内部成功运行。在这20多年里,多种较为成熟的固定分CNMHG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、谷物的烘千。实践表明,Table 1 Temperature distribution in updraft gasifier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+CO2+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+CH+C+CH+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氧化区8001200氧氟化反应C+0+HO→2CO)+HACO-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COH+CCO,C+2H2+CH化集中供气供暖系统已经被广泛应用,极大地改善了农村地区的卫生环境和居民的生活水平(2)气化发电脱除水分生物质气化气经净化后可用于发电。在我国,气化发电技术已进人实用阶段。须要强调的是,低热值燃气发动机的研制尚不能满足实际需求,其1300t1009070500300原因主要是投资高,效益不明显,因此使科研工作猛度T【K的深度和广度一时难如人意。这项技术的进展将图1上吸式气化炉示意图为电力缺乏或国家电网无法达到的地区,提供一ig. l Schemetic of updraft gasifier个新的选择。气化炉炉型不同,其生产性能和产气用途也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Table2 The main characteristics of gasifiers of different 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/mm5原料含水率%<60我国农村地区目前仍以生物质能为主要能热效率源,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,提气化焦油含量高低低少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ma,相当于2000总产量约6亿如a,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ta。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生的干热气体直接进入干燥窑烘干木材,无需换中国煤化工《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CNMHG,从而使得气可耳生能源200826(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化学程,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)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):8-135.2焦油问题「3邓立新生物质的洁净转化和综合利川化学教育,焦油是影响气化气使用的最大障碍。气化气2004(2):10-12.中存在焦油,不但使气化发电系统与供气系统无[4 ALBRECHT KAUPP JOHN R.Goss small scale gasprmducer-engine systemsM]. Wiesbaden: 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 fuel[M].Lon油问题的方法就是把焦油裂解为永久性气体。目press. 1981前已有焦油热裂解与催化裂解的试验,但距实际6]wpAz. P CHARTIEH. Energy from biomass in Eu应用仍有一段距离。rope[ M).london: Great Britain Press, 19805.3二次污染问题7 W RAMSAY SMITH. Energy from forest biomass[MI生物质气化发电在经济上有较大优势,但灰New York: Academic press, 1982.及废水污染问题仍没有彻底解决,成为推广气化181CJ, BEYEA. Bioenergy in the United States发电技术的主要障碍。灰污染问题的处理办法比progress and possibilities pJ Biomass and Bioenergy2000.18:44|-445较简单,只要提高气化效率,并对灰进行煅烧处阱张百良农村能源[程学北京: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难处理,根本方法就是减少焦油的产生。0马降龙生物质气化技术及其应M]北京:化学工业出版社,2003参考文献:「!l中农机学会科技交流中心农作物秸秆利川技术与「1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,199上接第54页[121 FREDA R H INES H, GODFREY K, et al. Continuousdark fermentative hydro gen production by mesopHilicof glucose in a mixed culture forming part of a twomicroflora: Principles and progress [[Internationalstage digestion process [J]. Water Research, 1982, 16Journal of Hydrogen Energy, 2007.32(2): 172-784[7] IIN CY, CHANG R-C Hydrogen production during the [13] GODFREY KYAZZ. Hydrogen production via dark(3):313-321fermentation of carbohydrate-rich substrates[D).Glamor-anaerobic acidogenic conversion of glueose [J]-Journalgan: the University of GlamorgaN, 2007.of Chemical Technology Biotechnology, 1999. 74(6):498-500[8] MIZUNO O, 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 nitrogen gas sparging U]. Bioresource Technology, t日前,国务院确定将农村沼气作为进一步扩大内200073(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19] MU Y, YU H-Q. Biological hydrogen production in a t沼气池翅过500万口。UASB reactor with granules E: physicochemical charac-istics of hydrogen-produr ing granules(JI Biotechnol实践证明,发展农村沼气工程,既能有效解决农民ogy and Bioengineering 2006, 94(5): 980-987生活能源问題,又能获得农业生产所的有机肥料,改[10J REN N, WANG B, MA F. Hydrogen big-prmduction of善农村人居环境,具有良好的经济效益、生态效益和社rbohy drate fermentation by anaerobic activated sludge;会效益农村使用沼气效果突出,受到广大农民的普遍process[A]. Water environment6 th annual confer..!欢迎。下一步各级农业部门将迅速行动,采取措施,加ence(. Miami Beach: Water environment federal,?快农村沼气工程建设进度阿时,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[II APHA. Standard methods for the examination of eater +45站和服条点头主要内容的较为完and waste water MI. W asington DC: Amerie an Pu blic中国煤化工能力覆盖70%以Health Association, 1995CNMH(两自新华网58