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1、生物质气化技术及其研究进展摘要生物质能源是一种理想的可再生能源，由于其在燃烧过程中对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减少温室效应，因而越来越受到世界各国的关注。对生物质能的概念及其转化方式进行了简单介绍，着重介绍了生物质气化技术在国内外的发展现状，提出了我国在生物质气化领域的重点研究方向。1前言生物质能源是一种理想的可再生能源。具有以下特点：(1)可再生性；(2)低污染性(生物质硫含量、氮含量低，燃烧过程中产生的SO2、NO2较低，生物质作为燃料时，二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减少温室效应)；(3)广泛的分布性。缺乏煤炭的地域可充分利用生物质能。所以，利用生物质作为替代能源，对改
2、善大气酸雨环境。减少大气中二氧化碳含量从而减少温室效应都有极大的好处。生物质能的低硫和CO2的零排放使生物质成为能源生产的研究热点。20世纪70年代，Gahly等首次提出了将气化技术用于生物质这种含能密度低的燃料。生物质气化是生物质转化过程最新的技术之一。生物质原料通常含有7090挥发分，这就意味着生物质受热后，在相对较低的温度下就有相当量的固态燃料转化为挥发分物质析出。由于生物质这种独特的性质，气化技术非常适用于生物质原料的转化。不同于完全氧化的燃烧反应，气化通过两个连续反应过程将生物质中的碳的内在能量转化为可燃烧气体，生成的高品位的燃料气既可以供生产、生活直接燃用，也可以通过内燃机或燃气轮
3、机发电，进行热电联产联供，从而实现生物质的高效清洁利用。生物质气化的一个重要特征是反应温度低至600650，因此可以消除在生物质燃料燃烧过程中发生灰的结渣、团聚等运行难题。生物质气化采用的技术路线种类繁多，可从不同的角度对其进行分类。根据燃气生产机理可分为热解气化和反应性气化，其中后者又可根据反应气氛的不同细分为空气气化、水蒸气气化、氧气气化、氢气及其这些气体的混合物的气化。根据采用的气化反应器的不同又可分为固定床气化、流化床气化和气流床气化。另外，还可以根据气化规模的大小、气化反应压力的不同对气化技术进行分类。在气化过程中使用不同的气化剂、采取不同的运行方法以及过程运行条件，可以得到三种不同
4、质量的气化产品气。三种类型的气化产品气有着不同的热值(CV)：低热值(LowCV)46MJNm3(使用空气和蒸汽空气)；中热值(MediumCV)l218MJNm3(使用氧气和蒸汽)；高热值(HighCV)40MJNm3(使用氢气或者是氢化)。2生物质气化反应炉生物质气化按照使用的气化器类型不同分为固定床气化和流化床气化两种。气流床气化对于入炉颗粒粒度要求细(一般要求小于04mm)，对于生物质而言，要满足气流床的气化的粒度要求还有许多技术及经济难题需要解决。21生物质固定床气化炉固定床是一种传统的气化反应器，其运行温度一般在1000C左右。固定床气化炉分为逆流式(Countercurrent)
5、、并流式(Concurrent)。如图1、2所示。逆流式气化炉是指气化原料与气化介质在床中的流动方向相反。而并流式气化炉是指气化原料与气化介质在床中的流动方向相同这两种气化炉按照气化介质的流动方向不同又分别称为上气式、下气式气化炉。下面对上气式固定床生物质气化炉的运行工艺作简单介绍。在上气式固定床气化炉中，生物质原料从气化炉的上部的加料装置送入炉内，整个料层由炉膛下部的炉栅支撑。气化剂从炉底下部的送风口进入炉内，由炉栅缝隙均匀分布并渗入料层底部区域的灰渣层，气化剂和灰渣进行热交换，气化剂被预热，灰渣被冷却。气化剂随后上升至燃烧层，在燃烧层气化剂和原料中的碳发生氧化反应，放出大量的热量。可使炉内
6、温度达到1000，这一部分热量可维持气化炉内的气化反应所需热量。气流接着上升到还原层，在燃烧层生成的CO2还原成CO；气化剂中的水蒸气分解，生成H2和CO2这些气体与气化剂中未反应部分一起继续上升，加热上部的原料层，使原料层发生热解，脱除挥发分，生成的焦炭落人还原层。生成的气体继续上升，将刚入炉的原料预热、干燥后，进入气化炉上部，经气化炉气体出口引出。22流化床生物质气化炉流化床燃烧是一种先进的燃烧技术，应用于生物质燃烧上已获得了成功，但是用于生物质气化仍是一个新课题。与固定床相比。流化床没有炉栅，一个简单的流化床由燃烧室、布风板组成，气化剂通过布风板进人流化床反应器中。按气固流动特性不同，将
7、流化床分为鼓泡流化床和循环流化床，如图3所示。鼓泡流化床气化炉中气流速度相对较低，几乎没有固体颗粒从流化床中逸出。而循环流化床气化炉中流化速度相对较高，从流化床中携带出的颗粒在通过旋风分离器收集后重新送人炉内进行气化反应。流化床气化炉有良好的混合特性和较高的气固反应速率。在生物质气化过程中，流化床首先通过外加热到运行温度，床料吸收并贮存热量。鼓人气化炉的适量空气经布风板均匀分布后将床料流化，床料的湍流流动和混合使整个床保持一个恒定的温度当合适粒度的生物质燃料经供料装置加入到流化床中时，与高温床料迅速混合，在布风板以上的一定空间内激烈翻滚，在常压条件下迅速完成干燥、热解、燃烧及气化反应过程，使之
8、在等温条件下实现能量转化，从而生产出需要的燃气。床料本身的较高的热容量像一个热量词速器，可使生物质气化炉在停炉一整夜后无需外在热量情况下重新开车。由于床料热容大，即使水分含量较高的燃料也可直接气化。通过控制运行参数可使流化床床温保持在结渣温度以下，床层只要保持均匀流化就可使床层保持等温，这样可避免局部燃烧高温。流化床气化炉气化强度高，人炉的燃料量及风量可严格控制，非常适合于大型的工业供气系统，且燃气的热值可在一定的范围内任意调整。因此，流化床反应器是生物质气化转化的一种较佳选择，特别是对于灰熔点较低的生物质。23固定床气化炉与流化床气化炉性能比较固定床气化炉与流化床气化炉有着各自的优缺点和一定
9、的适用范围。例如，逆流式固定床气化反应器结构简单、操作便利，运行模式灵活，但是只能适用于中小规模生产；而流化床气化反应器虽然适合于工业化、大型化但设备复杂、投资大，而且需要一个相对稳定的对产品气的市场需求。下面主要从工业技术及运行情况、使用的原料、能量利用和转换、环境效益和经济性五个方面对流化床和固定床气化炉进行比较。231工业技术及运行情况从目前情况来看，固定床和流化床气化炉的设计运行时间一般都小于5000h。前者结构简单，坚固耐用；后者比较而言结构较复杂，安装后不易移动，但占地较小，容量一般较固定床的容量大。启动时，固定床加热比较缓慢，需较长时间达到反应温度；流化床加热迅速。可频繁起停。运
10、行过程中，固定床床内温度不均匀，固体在床内停留时间过长，而气体停留时间较短，压力降较低；流化床床温均匀，气固接触混合良好，气固停留时间都较短，床内压力降较高。固定床的运行负荷可以在设计负荷的20110之间变动，而流化床由于受气流速度必须满足流化条件所限，只能在设计负荷的5O120之间变化。232使用的原料流化床对原料的要求较固定床低。固定床必须使用特定种类、形状和尺寸尽可能一致的原料；流化床使用的原料不限定种类，进料形状不限，颗粒尺寸可不一致。前者颗粒尺寸较大(>100mm)，后者颗粒尺寸较小(>50ram)。固定床气化的主要产物是低热值煤气，含有少量焦油、油脂、苯、氮等物质，需经
11、过分离、净化处理。流化床产生的气体中焦油和氮的含量较低，气体成分热值稳定，出炉燃气中固体颗粒较固定床多，燃气出炉温度和床温基本一致。233能量利用和转换固定床中由于床内温度不均匀，导致热交换效果较流化床差，但由于固体在床中停留时间长，故碳转换效率高，一般达9099。流化床由于出炉燃气中固体颗粒较多，造成不完全燃烧损失，碳转换效率一般只有90。两者都具有较高热效率。234环境效益固定床燃气飞灰含量低，而流化床燃气飞灰含量高。其原因是固定床中温度可高于灰熔点，从而使灰熔化成液态，从炉底排出；而流化床中温度低于灰熔点(否则熔成结渣，无法正常运行)，飞灰被出气带出一部分。所以流化床对环境影响比固定床大
12、，在实际设计中必须对燃气进行除尘净化处理。235经济性在设计制造方面。由于流化床的结构较固定床复杂故投资多于后者。但在运行方面，固定床对原料要求较高，流化床对原料要求不高，故固定床运行投资高于流化床。固定床气化炉内温度分布较宽，这可能产生床内局部高温而使灰熔聚，并存在比容量低、启动时间长以及大型化较困难等问题；流化床具有气化强度大、综合经济性好的特点。综合考虑设计和运行过程，流化床比固定床具有更大的经济性，应该成为我国今后生物质气化研究的主要方向。3生物质气化发电技术应用及国内外发展现状31生物质气化发电技术在国外的发展及现状生物质气化及发电技术在发达国家已受到广泛重视，如奥地利、丹麦、芬兰、
13、法国、挪威、瑞典和美国等国家生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划，生物质能在总能耗中的比例由原来大约23增到目前的25。到目前为止，该国已拥有装机容量为12MWe的区域供热站8090座。瑞典和丹麦正在实施利用生物质进行热电联产的计划，使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求，以大大提高其转换效率。一些发展中国家，随着经济发展也逐步重视生物质的开发利用，增加生物质能的生产，扩大其应用范围，提高其利用效率。菲律宾、马来西亚以及非洲的一些国家，都先后开展了生物质能的气化、成型固化、热解等技术的研究开发，并形成了工业化生产。生物质
14、气化的发电技术主要有以下三种方法：带有气体透平的生物质加压气化、带有透平或者是引擎的常压生物质气化、带有Rankine循环的传统生物质燃烧系统。传统的BIGCC技术包括生物质气化、气体净化、燃气轮机发电及蒸汽轮机发电。由于生物质燃气热值低(约5021kJm3)，炉子出口气体温度较高(800以上)，要使BIGCC具有较高的效率，必须具备两个条件一是燃气进入燃气轮机之前不能降温，二是燃气必须是高压的。这就要求系统必须采用生物质高压气化和燃气高温净化两种技术才能使BIGCC的总体效率较高(40)目前欧美一些国家正开展这方面研究，如美国Battelle(63MWe)和夏威夷(6MWe)项目欧洲英国(8
15、MWe)、瑞典(加压生物质气化发电4MWe)、芬兰(6Mwe)以及欧盟建设3个712Mwe生物质气化发电BIGCC示范项目，其中一个是加压气化，两个是常压气化。但由于焦油处理技术与燃气轮机改造技术难度大存在的许多问题(如系统未成熟，造价很高)限制了其应用推广。以意大利12Mwe的BIGcC示范项目为例，发电效率约为317但建设成本高达25000元kW，发电成本约12元(kW.h)实用性很差。近利用了生物质原料固有的高反应特性。生物质的气化强度超过l46000kg(h.m)而其他气化系统的气化强度通常小于1000kg(h.1TI)。Battelle气化工艺的商业规模示范建在弗蒙特州的柏林顿McNeil电站，该项目的一期工程用Battelle技术建造日产200t燃料气的气化炉，在初始阶段生产的燃料气用于现有的Mc—Neil电站锅炉。二期工程安装一台燃气轮机来接受从气化炉来的高温燃气，组成联合循环。该气化设备于1998年完成安装并投入运行。大型生物质气化循环发电系统包括原料预处理、循环流化床气化、催化裂解净化、燃气轮机发电、蒸汽轮机发电等设备，适合于大规模处理农林废物。除了将生物质气化用于发电之外，欧共体进而开展了生物质气化合成甲醇、氨的研究工作。1998年，欧共体建立了四个规模在48121td之间不等的生年欧美开展了其它技术路线的研究，如比利时(25MWe)和奥地
