李艷 王欣 孫利利

（北京國環(huán)清華環(huán)境工程設計研究院有限公司 北京 100084）

1 生物質熱解氣化技術概述

生物質熱解氣化技術是在一定的溫度條件下，將高分子有機物分解轉化為小分子、高質量能源燃料，實現(xiàn)能源利用的一項綜合性技術。通過有機物的熱解、氧化還原反應將有機物轉化為富含一氧化碳、氫氣的生物質燃氣，通過燃氣的甲烷化反應還能夠將其進一步制備成清潔、高品質的天然氣。隨著世界資源的日益匱乏以及環(huán)境保護觀念的日漸深入，各國對生物質熱解技術的研究越來越深入，美國、加拿大、瑞典、芬蘭、德國等對生物質熱解技術的研究以及生物質能的利用都比較成熟，促進生物質能利用的規(guī)模化、自動化是生物質熱解氣化技術研究的核心[1]。我國的農林生物質能資源非常豐富，加強這一技術研究對緩解我國能源匱乏的現(xiàn)狀，提高工業(yè)生產效率和能源供應具有重要意義。

2 生物質熱解及氣化技術的原理分析

2.1 生物質熱解、氣化反應的原理

生物質熱解是在高溫加熱條件下，生物質顆粒受熱量作用裂解為小分子產物和揮發(fā)組分的過程；生物質氣化則是利用氣化劑將固體燃料中的碳氧化為氣體燃料的過程[2]。生物質熱解、氣化的原理如圖1、圖2所示：

圖1 生物質熱解原理圖[3]

圖2 生物質氣化原理圖[3]

生物質熱解氣化反應是制備氣態(tài)燃料的熱化學過程，是一個復雜的分解過程，對反應的溫度、壓力、裝置都有較為嚴格的限制，由生物質有機物轉化為氣態(tài)燃料要經(jīng)過干燥、液化、熱解、氣化等過程[4]。

2.2 生物質熱解氣化技術簡介

自20世紀70年代以來，世界各國對能源利用的研究逐漸重視，對生物質能的開發(fā)研究也越來越多，美國等發(fā)達國家對生物質能開發(fā)利用規(guī)模較大，技術研究也較為成熟。美國對生物質熱解氣化技術的研究主要針對于生物質能發(fā)電，其生物質聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術、生物質綜合氣化裝置聯(lián)合燃氣輪發(fā)電技術、炭化氣化木煤氣發(fā)生技術等對促進其經(jīng)濟發(fā)展起著非常重要的作用[5]。德國對于生物質熱解氣化的研究也是較為先進的，德國公司設計的下吸式氣化爐聯(lián)合內燃機發(fā)電機技術氣化效率幾乎可以達到90%，這為生物質能的高效利用起到了很大的推動作用。加拿大研究設計的固定床濕式上行氣化裝置及流化床氣化裝置利用規(guī)模較大，自動化程度較高，對生物質能的發(fā)展起到了很大的推動作用。芬蘭是世界上利用生物質能最多、最成功的國家之一，其開發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐技術發(fā)電效率及熱轉化效率較高，廢棄物的處理也較為科學。

生物質能的開發(fā)利用是緩解能源危機的一條有效途徑，要保障我國經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，必須借鑒先進國家的經(jīng)驗和技術，加強對生物質熱解氣化技術的研究。與上述發(fā)達國家相比，我國生物質熱解氣化技術的研究起步較晚，開始于20世紀80年代，但經(jīng)過近些年的努力也取得了很多先進的技術成果。我國自行研制的集中和分戶式氣化爐產品逐漸投入生產和使用，ND型氣化及生物質干餾熱解氣化裝置等為解決農村供電及工業(yè)生產帶來很大的便利。下面介紹目前常用的幾種生物質熱解氣化技術：

2.2.1 固定床式氣化爐工藝技術

固定床式氣化爐工藝技術是生物質熱解氣化研究較早的一項技術，按照氣化裝置進料方式的不同可以分為上吸式、下吸式、橫流式和開心式等。該項工藝技術主要以空氣為氣化劑，設備裝置通常比較簡單，運行操作也較易實現(xiàn)，目前使用較多的為下吸式氣化爐工藝技術。首先在熱解過程中，固相反應取決于加熱的溫度，經(jīng)歷裂解、重整、變換等過程，還要保障不同大小顆粒的燃燒速率，這就要求在該項技術的研究中既要保障氣化爐內足夠好的加熱條件，又要保障在高溫下的良好傳熱與傳質。基于上述要求，德國研發(fā)的下吸式氣化爐聯(lián)合發(fā)電機組系統(tǒng)性能及工作效率都比較高，在國際上較為先進。我國在傳統(tǒng)下吸式氣化爐的研究基礎上進行了創(chuàng)新改進，研發(fā)的以蒸汽為氣化劑的下吸式生物質熱解和完全氣化技術，轉化效率和熱值都比較高，隨著研究的進一步深入仍有發(fā)揮潛力。國內某能源公司研發(fā)的可連續(xù)運行的下吸式固定床反應器，加入了主動配風技術，結合實時監(jiān)控和反饋系統(tǒng)，根據(jù)反應狀況自動控制氣化劑的供給，其自動化程度及轉化效率都比較高。

2.2.2 流化床氣化爐工藝技術

流化床氣化爐工藝技術是與固定床氣化爐相對的一項工藝技術，與之相比，其設備結構及工作系統(tǒng)都比較復雜，可分為單流化床氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐、雙流化床氣化爐。流化床氣化工藝中，生物質原料的粒度通常比較細，在工作中震動速率較快，因此床的傳質、傳熱效率都比較高，氣化也較為徹底。流化床是基于一種流態(tài)化操作技術，各工作環(huán)節(jié)相互獨立又相互配合，其氣化能力可以在較大的范圍內進行調節(jié)，但由于流化床難以實現(xiàn)較高的溫度要求，對于熱解氣化固態(tài)產物不能熔融，故而會帶來一些廢渣處理問題[3]。多循環(huán)流化床反應系統(tǒng)由幾個串聯(lián)的錐形反應筒組成，在各段錐形底部形成流化床，能有效提高反應的速率，串聯(lián)的反應系統(tǒng)能夠有效提高固、氣滯留時間的比率，生物質輸送與氧化反應區(qū)各司其職，能夠減少運行故障，提高氣化效率。奧地利研發(fā)的雙流化床蒸汽氣化技術是生物質熱解氣化中一項非常重要的技術，在該技術中將氣化過程與反應產物利用分隔開來，首先以蒸汽作為氣化劑進行氣化，再將氣化產生的固體作為燃料循環(huán)使用。雙流化床蒸汽氣化巧妙地運用了兩段式熱解氣化，能夠提高氣化產物的品質，還能夠實現(xiàn)熱解產物的充分利用。

2.2.3 生物質合成天然氣技術

早期對天然氣能源利用是基于對煤氣化技術的研究，主要是通過甲烷化反應制備高品質的天然氣，這一技術的研究已經(jīng)較為成熟，而生物質燃氣的研究較晚，對于提高燃氣品質以及生產效率的研究也有待進一步的深入。2008年奧地利某研究機構基于雙流化床生產設備研發(fā)的天然氣合成技術是生物質熱解氣化完整工藝的一次突破。在該項技術中，首先在傳統(tǒng)熱解、氣化反應基礎上，加入甲烷化及天然氣合成系統(tǒng)，將常規(guī)的熱解氣化產物一氧化碳、氫氣轉化為天然氣，再經(jīng)過脫硫、脫氮、焦油處理等過程產生高品質的合成氣體燃料。通過上述研究制得的氣體燃料中甲烷的含量能夠達到70%以上，基本上可以代替常規(guī)天然氣的使用，這對于居民供暖、供氣，解決常規(guī)天然氣的不足具有非常重要的意義。我國對于生物質合成天然氣技術的研究尚處于實驗階段，對該項技術的工業(yè)應用較少，因此加強生物質高熱值合成天然氣的研究是我國生物質熱解氣化技術研究的一個重要方向，推進該項技術的產業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展有待進一步提高。

2.2.4 生物質富氧氣化技術

生物質富氧氣化技術是從氣化劑的角度出發(fā)提高氣化效率的一項新型氣化技術。傳統(tǒng)的生物質熱解氣化通常以空氣為氣化劑，但是由于空氣中大部分為氮氣，所以燃氣質量及生產效率都比較低，若在進入反應爐之前將氧氣富化提純則會增加氧化層厚度釋放大量熱能，為反應爐提高足夠高的溫度，進而大大改善反應的效果。國外對于富氧氣化技術的研究較為成熟，該項技術的研究主要基于雙流化床設備，氧氣的濃度可以達到99%以上。西班牙學者研發(fā)的雙流化床反應器，通過膜控制技術富化反應中的氧氣量，對氣化效率的提高有較好的效果[4]。我國浙江大學搭建的小型試驗臺，研究通過富氧氣化提高反應溫度，一次性熱解氣化的熱值較高；山東大學對生物質富氧氣化的研究也較多，在傳統(tǒng)生物質熱解氣化技術中加入膜法制氣及氧氣富化技術，研發(fā)出一種膜法富氧生物質熱解氣化裝置，不僅使氣化反應更加徹底，還能夠大大提高氧化爐的溫度，并減少了焦油及固體殘渣產出[3]。生物質富氧氣化技術對于提高燃氣的熱值具有重要意義，但我國對該項技術的裝備研發(fā)及工業(yè)應用尚不成熟，推進生物質富氧氣化技術的規(guī)?；?、工業(yè)化應用還有待進一步推進。

2.2.5 生物質蒸汽氣化技術[6]

與生物質富氧氣化技術相同，生物質蒸汽氣化技術也是從氣化劑的角度出發(fā)進行研究的。水蒸氣是生物質熱解氣化中一種非常重要的產物，將這一產物加以循環(huán)利用對于提高系統(tǒng)的生物質利用率有重要作用。水蒸氣是生物質裂解反應及還原反應的重要原料，若將水蒸氣作為下一步氣化的氣化劑則上述兩個過程的反應會大大加強，因此生物質蒸汽氣化技術是提高系統(tǒng)效率的一項重要途徑[6]。奧地利某大學對雙流化床蒸汽氣化技術的研究較為深入，其雙段式蒸汽氣化反應裝置具有較好的效果。我國大連理工大學對生物質蒸汽氣化技術的研究在國內較為領先，其利用多孔的陶瓷介質作為熱解反應的介質，然后利用一種上吸式的蒸汽熱解氣化的裝置能夠實現(xiàn)富氫氣燃氣的制取[5]。生物質蒸汽氣化技術是以蒸汽重整為基礎，一方面對生物質實現(xiàn)高效、高強度的氣化，另一方面對燃氣進行重整，對焦油及固態(tài)產物進一步熱解，這對提高生物質熱解的效率和燃氣的品質具有重要作用。生物質蒸汽熱解氣化技術是系統(tǒng)內部結構組合的優(yōu)化，能夠提高反應的強度和效率，是生物質熱解氣化技術重要的發(fā)展方向。

3 生物質熱解氣化技術的應用和發(fā)展方向

生物質熱解氣化技術的主要應用是生物質燃氣供應和生物質發(fā)電。生物質燃氣具有清潔方便的特點，在人們生活中有著廣泛的應用。通過生物質的熱解氣化，能夠產生以一氧化碳、氫氣為主要成分的清潔燃料，并通過進一步的甲烷化反應，能夠產生熱值較高的合成天然氣，這對城市供氣、供暖帶來了極大的便利。生物質供電主要是通過生物質氣化及直燃所釋放的熱量轉化為電能，生物質發(fā)電項目的研究為解決工業(yè)用電及城市功能用電發(fā)揮著非常重要的作用。

生物質能是一種可再生的清潔能源，有著良好的發(fā)展前景。隨著常規(guī)能源的日益枯竭，推進生物質能利用的產業(yè)化、規(guī)?；巧镔|熱解氣化技術發(fā)展的必然要求。生物質熱解氣化技術的研究中，一方面要提高熱解氣化反應的強度和效率，另一方面要提高燃氣的品質，因此研發(fā)高強度、高效率的固定式氣化床及流化床工藝設備，改善生物質蒸汽氣化及富氧氣化的效果，加強對生物質合成天然氣技術的深入研究是生物質熱解氣化技術的研究方向[7]。

4 結語

我國擁有豐富的農林生物質資源，利用生物質熱解氣化技術開發(fā)和利用生物質能源，能夠達到清潔高效利用燃氣的要求，推進工業(yè)發(fā)展。深化生物質氣化爐裝備的研發(fā)以及生物質蒸汽氣化技術、生物質富氧氣化技術、生物質合成天然氣技術的研究，加強對生物質能源的利用，能夠有效緩解我國能源匱乏的現(xiàn)狀，對促進企業(yè)的產業(yè)結構升級具有強大的推動作用。

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