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1、一种解决乡、镇用气的新方法卢西如 1 、简述 生物质能源生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为2 1 世纪主要的新能 源之一。据估计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的1 0 倍；而作为能源的利用量还不到其总量的l 。这些未加以利用的生物质，为完成自然界的碳循环，其绝大部分由 自然腐解将能量和碳素释放，回到自然界中。事实上，生物质能源是人类利用最早、最多、最 直接的能源，至今，世界上仍有1 5 亿以上的人口以生物质作为生活能源。生物质燃烧是传统 的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效 地利用生物质能源，生产各种清洁燃料
2、，替代煤炭，石油和天然气等燃料，生产电力。而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。因此，生物质能源 将成为未来持续能源重要部分，到2 0 1 5 年，全球总能耗将有4 0 来自生物质能源。 2 、国内外生物质气化技术发展状况 目前生物质能的研究与开发已成为全球的热门话题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。 1 9 9 2 年世界环境与发展大会后，欧美国家即大力发展生物质能。北欧各国大力发展木材发电，德国大力发展沼气。欧盟规划2 0 1 0 年可再生能源比例达1 2 ，每年可替代2 0 0 0 万t 石油，其中成本较低的生物质 能约占8 0 。瑞典对废木材的利用
3、十分重视，生物质能比已达2 0 ；法国将生物质能甲酯化后和柴油并用以替代石油；美国加快木柴发电和燃料乙醇的启用，利用农作物及其废物制造乙 醇，作为汽车燃料，1 9 9 9 年明确提出规划到2 0 1 0 年生物制品及生物质能的产量将为当时水平 的3 倍，生物质能比达1 0 ；生物质能是丹麦主要的可再生能源，2 0 0 0 年月丹麦生物质能约 占全国可再生能源的8 5 ，作为世界风力机主要的供应者，其风能只占1 0 ：古巴盛产甘蔗，大量的甘蔗渣可用于燃烧发电，该国政府已与联合国发展组织、世界环境基金会联合进行国际 合作，预计投资1 亿美元兴建以甘蔗渣为原料的环保电厂，预计所生产的电能可足够古巴全
4、国使用。 我国每年的农林废弃物已超过1 0 亿t ，具有广阔的丌发前景，生物质能占农村总能耗的7 0 ，占全国总能源的近( 1 4 ) 。我国沼气的使用有较长历史，在发展中国家处于领先地位。 以甲醇为燃料的公交车在北京试运成功，另外数十辆公交车也在进行改装，准备加入“弃油烧 酒“ 的行列，据预测，2 0 5 0 年我国生物质能开发利用量将达到2 7 5 M t 标准煤，占一次能源供应量的8 。生物质能要真正成为矿物燃料的替代能源，其关键是要将能量密度低的低品位的生物质能转变 成高品位能源。如何有效地将生物质转化为洁净、高效的高品位能源，是该领域目前的主要研 究课题。当前，生物质能转化技术主要包
5、括生物质能气化、液化、固化以及直接燃烧技术。生 物质能气化技术就是其中重要的手段之一。生物质由于具有挥发组份高、炭活性高、硫和灰的 含量低等特性，使其成为气化的理想原料。将生物质转化为气体燃料是一种很好的生物质利用途径，其中以流化床生物质气化最为引人注目。一般来说，欧美发达国家研制的生物质气化装 置是用于发电或供热，规模较大，自动化程度较高，工艺复杂，气化效率可达6 0 9 0 。气 体热值在1 7 k J N m 3 2 5 1 k J N m 3 之间，目前国外正发展以生物质取代部分或全部煤的流 化床气化技术如德国在L u e b b e n a u 建立的使用流化床点火装置的烟气循环常压
6、流化床锅炉，燃料为5 0 木，3 0 褐煤，2 0 生物质；功率 5 0 M W ；芬兰考查了生物质与其它燃料共气化及1 5 6其燃烧用于发电和供热的性能；美国将生物质与油共气化；瑞典L u n d 大学建立了P F B ( 加压 流化床) 生物质气化装置。 在我国，“八五”期间国家科委安排了“生物质热解气化热利用技术”的科技攻关专题，取得了相当成果；采用氧气气化工艺，研制成功生物质中热值气化装置；以下吸式固定床工艺，研 制成功1 0 0 户生物质气供气系统与装置：以流化床干馏工艺，研制成功l ，0 0 0 户生物质气化集中代气系统与装置。“九五”期间，国家科委安排了“生物质热解气化及相关技术
7、的科技 攻关专题，重点研究开发l 兆瓦大型生物质气化发电技术、小型生物质气化发电技术和农村秸秆气化氧化集中供气技术。 3 、生物质气化的原理及工艺3 1 生物质气化原理及工艺 生物质气化技术是一种热化学处理技术，通过气化炉将固态生物质转换为使用方便而且清洁的 可燃气体，用作燃料或生产动力。其基本原理是将生物质原料加热，生物质原料进入气化炉后被干燥，伴随着温度的升高，析出挥发物，并在高温下裂解( 热解) 热解后的气体和碳在气化 炉的氧化区与供入的气化介质( 空气、氧气，水蒸气等) 发生氧化反应并燃烧燃烧放出的热 量用于维持干燥、热解和还原反应，最终生成了含有一定量C O 、H 2 、C H 4
8、、C m H n 的混合气 体，去除焦油、杂质后即可燃用。这种方法改变了生物质原料的形态，使用更加方便，而且能量转换效率比固态生物质的直接燃烧有较大的提高。o气代技术是目前生物质能利用技术研究的热门方向。典型的气化工艺有以下3 种：干馏工艺、 快速热解工艺、气化工艺。其中前两种工艺适用于木材或木屑的热解：后一种适用于农作物( 如玉米、棉花等) 秸秆的气化。 生物质气化技术的一般工艺过程如图1 所示，其主要有四大组成系统，分别为进料系统气化 反应器( 气化炉) ，气化气体净化系统和气化气体处理系统( 如发电系统) 进料系统包括生物 质进料、空气进料、水蒸气进料及其控制。气化气体净化系统主要是除去
9、产出气体中的固体颗粒，可冷凝物及焦油，常用设备有旋风分离器、水浴清洗器及生物质过滤器后处理系统主要 是气化气进一步转化利用的装置，诸如发电、制取液体燃料等装置。I 进料系统L 一气化炉卜一净化系统卜一后处理系统Ib _ r 工仞7 页气化工艺L 预饥疆一L _ 一L3 2 气化炉 生物质气化技术的核心是气化炉，气化炉也是生物质气化的主要设备。气化炉能量转化效率的 高低是整个气化系统的关键所在，故气化炉型式的选择及其控制运行参数是气化系统非常重要的制约条件常见的有固定床、流化床及气流床3 种形式3 2 1 固定床气化炉 按气体在炉内流动方向，固定床气化炉可分为下吸式、上吸式、横吸式及开心式气化炉
10、几种类 型。下吸式固定气化炉的优点是：结构比较简单：工作稳定性好：可随时开盖添料；气体和生物质物料通过高温喉管区时，生物质在喉管区发生气化反应，而且焦油也可以在炭床上裂解为 永久性气体。一般情况下，下吸式固定床气化炉不设炉栅，但如果原料尺寸较小也可设炉栅。 其缺点是抽出气化气时要耗费较大的功率，且气化气的温度较高，需要冷却。上吸式固定床气 化炉的优点是：向下流动的物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解，从而大大提高了炉子热 效率，并且热分解层和干燥层对气化气有一定的过滤作用。其缺点是：添料不方便；气化气中 含焦油较多。横吸式固定床气化炉的特点是空气由侧向供给，产出气体由侧向流出。气体流横向通过燃
11、烧气化区。它主要用于木炭气化。在南美洲广泛用并已投入商业运行。开心式固定床气化炉是我国研制并应用的，其类似于下吸式固定床气化炉，气流同物料一起向下流动。但是 喉管区由转动炉栅所代替，主要反应在炉栅上部的燃烧区进行。这种炉主要适用于谷壳气化。 下表给出了固定气化炉对原料的一般要求。 表l固定床气化炉对原料的要求 气化米类型下吸式上吸式横吸式开心式原料类型废木废木木炭稻壳 尺寸( m m )2 0 1 0 05 1 0 04 0 - 8 0l 3水分( d b )芯术单一流化床双器流化床床 工作方燃烧和气化在同一连续工作，燃烧和热解气化炉和燃烧炉热解气化连续进式炉内交替工作气化同时进行进行循环：连
12、续气化行气化剂空气和水蒸气氧+ 水蒸气空气和干馏煤气循环煤气 热量提煤和生物质焦炭，内热式生物质部分生物质焦炭在另一流外热源，一般为供方式内热式燃烧化床中燃烧加热砂料循环煤气供热热载体煤粒及焦渣砂粒料砂粒料砂粒料 工作温度9 0 0 9 8 0 9 0 0 6 0 5 0 5 0 5 0 1 5 9含量 煤气热值中高中低中中高产品中不含焦油和产品中不含焦油和有焦油和酚类，不易于有焦油和酚类不环保性酚类，易于处理酚类，易于处理处理易处理规模适宜中小规模适宜大型化适宜中小规模适宜中小规模 投资情 况低高较高较低运行经济性低高低低从上述比较中可以看出该技术工艺简单、操作方便，投资省运行成本低，煤气中
13、不含焦油，氢 含量高达6 0 以上，是优质的富氢燃气和合成甲醇的合成气。由于采用生物质与煤混合气化， 可以适当调节两者的比例，以适应当地资源的情况。 5 6 技术路线及工艺路线采用间歇式流化床气化技术，气化炉设置二个加料装置和料仓，一个为生物质料仓，另一为煤 料仓。在鼓风燃烧阶段，送风和给煤，使原料煤在流化状态下燃烧；床层温度迅速上升，上升 到9 5 0 停止鼓风，气化炉转入气化阶段，向气化炉供入水蒸气和给生物质粉料。高温料层与 混合产物即产品煤气。由于二反应均为吸热反应，床层温度迅速下降，下降到9 0 0 时，气化炉又转入鼓风燃烧阶段。气化炉的工作温度可根据不同生物质的焦油热解特性而设定，可
14、在9 5 0 1 0 0 0 范围内选用。 二个阶段的转换是自动进行的。其工艺流程如图l 所示：图1生物质流化床气化炉的工艺流程卜流化床气化炉2 一带热交换的惯性分离器3 一过热器4 一高温旋风分离器5 一煤料仓6 一生物质料仓7 一粉尘焚烧炉8 一焚烧炉料仓9 一煤气洗涤塔1 0 - 煤气柜1 卜空气预气热器1 2 一布斗除尘器1 3 一烟囱1 4 一萝茨风机1 5 - 1 煤气转换阀1 5 - 2 烟气换向阀 1 6 1 蒸气换负阀1 6 2 空气换向阀1 7 一排渣阀1 8 - 生物料仓搅拌器1 9 - 蒸气包 我和江苏大学在天津华能集团能源设备有限公司建了一套中3 0 0 直径的生物质
15、气化炉经过一个多月的试运行，已经取得了初步成果：生物质与煤( 粉煤) 2 ：l ( 重量比) 混合间歇制气生产出水煤气成分为：C 0 20 2C I - hC OH 2N 21 3 40 99 2 72 7 1 14 0 2 39 0 9粉煤( 烟煤与白煤混合或单独用白煤生产半水煤气) 成分为：C 0 20 2C OC H 4H 2N1 3 OO 82 2 1 22 0 l4 4 8 21 7 2 5根据以上成分，这种粉煤( 生物质) 气化炉前景气是不错的，现在的结果只是初步的，我们将进一步试验，并逐渐完善。根据建设部的规划，在全国将建设2 万个示范小城镇把分散的农村人口集中在一起，每个乡镇
16、1 0 0 0 2 0 0 0 户，做到三通( 通水、通电、通煤气) ，根据目前试验结果测算，每m 3 煤气在0 5 元左右，热值估计在3 0 0 0 千卡标m 3 ，而这种方法生产的煤气没有焦油及酚类物质，含氢气 也较高，特别是可以就地取材，就地消费，既节约了能源，又解决了农业废弃物的利用，保证了乡、镇人民用气，确实一举多得。在生物质多的时候，多用生物质：生物质少的时候多用煤， 这种技术对煤种适应性强，只要灰熔点在1 1 0 0 以上，烟烟、褐煤无烟煤均可以。同时对煤 的粒度要求范围也比较宽( O 1 0 m m ) 所以可以预计，这种方法可能是我国广大农村小城镇煤气化切实可行的方法之一。如果气量有富余，再上一套提氢装置，就可以就近供应氢气，那么意义就更重大了。1 6 l
