呂仲明，徐盛林

（武昌首義學院，武漢 430064）

前言

我國是能源消費大國，隨著能源需求的迅速增長，化石原料的日趨枯竭，大量使用化石燃料對資源造成了很大浪費，并對環(huán)境和生態(tài)造成污染，產(chǎn)生了嚴重的影響。因而，迫切需求開發(fā)清潔的可再生能源，而可再生能源之一的生物質(zhì)能源就是能夠儲存和可運輸?shù)那鍧嵞茉矗渚哂匈Y源分布廣、儲存量大的優(yōu)勢，故開發(fā)潛力巨大。

生物質(zhì)氣化技術(shù)是一種熱化學處理技術(shù)，是將固體生物質(zhì)放入氣化爐中進行加熱從而轉(zhuǎn)換可燃性氣體，以此用作燃料。其基本原理是將固體生物質(zhì)原料進行不完全燃燒，在轉(zhuǎn)換過程中需要加入氧氣或水蒸汽等氣化劑，使其發(fā)生氧化反應(yīng)并燃燒。由于固體生物質(zhì)原料具有特殊物理性質(zhì)，在進入氣化爐進行氣化前需對固體生物質(zhì)原料進行破碎和增添介質(zhì)等預(yù)處理。通過預(yù)處理的原料在氣化爐中進行燃燒，其產(chǎn)生的熱量用于維持熱解和還原反應(yīng)，最終得到可燃性混合氣體，對該氣體過濾除去焦油及雜質(zhì)后，即可用于燃燒供暖或發(fā)電[1、2]。生物質(zhì)氣化原理如圖1。

圖1 生物質(zhì)氣化原理

1 國內(nèi)外生物質(zhì)氣化技術(shù)概況

目前，生物質(zhì)氣化技術(shù)具有較大的環(huán)境優(yōu)勢和應(yīng)用前景，很多國家都開展了相應(yīng)的技術(shù)研究和開發(fā)，例如印度的綠色能源工程、美國的能源工廠和巴西的酒精能源計劃等。

1.1 國外生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

在美國，生物質(zhì)氣化技術(shù)已具有很大的規(guī)模，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的清潔能源已達到全國能源消耗的4%。在美國紐約，斯塔藤垃圾處理站采用濕法處理垃圾，日產(chǎn)可燃燒氣體26萬立方米，利用氣化產(chǎn)生的可燃燒氣體發(fā)電，同時生產(chǎn)肥料從而避免環(huán)境污染[3]。

2006年10月，荷蘭政府每年提供1200萬研發(fā)經(jīng)費用于開發(fā)新型生物質(zhì)燃料。同時荷蘭政府投資建設(shè)了85MW的循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化廠，生物質(zhì)原料采用廢棄的朽木，產(chǎn)生的可燃氣體在600MW粉煤鍋爐內(nèi)和煤炭一起燃燒[4]。意大利拉奎拉大學的Pier Ugo Foscol等[5]在2006年設(shè)計出一套隔板內(nèi)循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化裝置并以此為實驗臺進行了冷態(tài)調(diào)試實驗，實驗結(jié)果表明，調(diào)節(jié)擋板所處的位置和氣流速度能夠控制固體循環(huán)率。并且當床料量超出擋板上沿時，床料顆?？梢赃M行循環(huán)。Sascha R.A.Kersten等[6]設(shè)計了一種新型的多級循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化反應(yīng)系統(tǒng)，該反應(yīng)系統(tǒng)由多個工作狀況接近的流化床串聯(lián)而成。通過這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效防止物料反混，同時創(chuàng)造出一個位于底部的碳和空氣燃燒區(qū)，進而提高了流化床的氣化效率。Song等[7]設(shè)計了一套燃燒-氣化互聯(lián)流化床，燃燒流化床后加設(shè)旋風分離器，形成兩個流化床外部連接，防止燃燒流化床與循環(huán)流化床直接相連，燃燒流化床為氣化流化床提供熱量，氣化流化床將焦油送至燃燒流化床，有利于焦油分解，提高燃燒品質(zhì)。

日本在生物質(zhì)利用技術(shù)方面所獲得的專利已占世界生物質(zhì)發(fā)明專利的一半，其中生物質(zhì)氣化能源利用方面的領(lǐng)域占了81%。生物質(zhì)發(fā)電在日本已悄然興起，2004年4月，東京興建了目前日本國內(nèi)最大的生鮮垃圾發(fā)電廠。

同時，發(fā)展中國家也陸續(xù)展開相關(guān)研究，孟加拉國建成的下吸收氣化裝置已投入運行，馬來西亞逐漸使用固定床氣化設(shè)備進行發(fā)電。

1.2 我國生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

我國生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究開始于20世紀80年代初期，在近30年取得了較大的進步，其中自行研制的用戶氣化爐及氣化發(fā)電裝置等已進入實用示范階段，形成了不同系列的氣化爐種類，從而滿足不同種類物料的氣化要求[8]。生物質(zhì)氣化是指將固體生物質(zhì)原料用粉碎機粉碎處理從而達到氣化爐的使用要求并由輸料裝置送入氣化爐中進行不完全燃燒。物料在氣化爐內(nèi)進行氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的燃氣通過降溫、凈化系統(tǒng)除去灰塵、焦油后由輸送設(shè)備經(jīng)水封送入貯氣柜中。貯氣柜中的燃氣可以經(jīng)管網(wǎng)送至用戶[9]。生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2 生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)工藝流程

在我國，科研單位利用生物質(zhì)氣化技術(shù)不僅在集中供氣方面有著較廣泛的應(yīng)用，更是將生物質(zhì)氣化技術(shù)進行發(fā)電并取得了較大的經(jīng)濟效益和社會效益。生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)電的原理是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃氣從而利用可燃氣推動燃氣發(fā)電設(shè)備進行發(fā)電[10、11]。氣化發(fā)電過程主要有3個方面：1）在氣化爐中把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；2）將產(chǎn)生的氣體燃料進行凈化從而保證燃氣發(fā)電設(shè)備的正常運行；3）利用燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機進行發(fā)電，提高了發(fā)電效率。其中廣州能源所將木質(zhì)廢棄物作為原料開發(fā)循環(huán)流化床氣化技術(shù)，該氣化發(fā)電技術(shù)的有效開發(fā)可以完成4MW的發(fā)電能力。

生物質(zhì)氣化合成液體燃料通過熱化學方法將生物質(zhì)氣化產(chǎn)生高質(zhì)量的合成氣，進而采用催化合成技術(shù)合成液體燃料，是一種間接液化技術(shù)。其中在合成液體燃料方面，廣州能源所已研制成功合成柴油中試裝置和氣化合成DME的中試裝置，標志著我國在合成燃料關(guān)鍵技術(shù)方面取得了較大的進展，推進了生物質(zhì)氣化合成技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，為我國生物燃氣科技工程的實施提供了基礎(chǔ)。

在家用、集中供熱和供氣方面，中國農(nóng)業(yè)機械化研究院研制的ND系列和錐形流化床、江蘇金江生物能源科技有限公司研制的固體有機廢棄物規(guī)?；謪^(qū)式氣化爐都取得了較大的環(huán)保和經(jīng)濟效益。

2 氣化爐的研究現(xiàn)狀

氣化爐是生物質(zhì)氣化技術(shù)中的核心設(shè)備，其作用是將爐內(nèi)的固體生物質(zhì)原料進行氣化得到可燃性氣體。生物質(zhì)氣化爐大致分為固定床氣化爐、流化床氣化爐、氣流床氣化爐和等離子體氣化爐四種類型[12、13]。

2.1 固定床氣化爐

固定床氣化爐內(nèi)的物料相對于氣流來說是處于相對靜止的。物料在爐內(nèi)的化學反應(yīng)分為干燥、熱解、燃燒和還原四個階段。根據(jù)氣化劑的流動方向，可將固定床氣化爐分為上吸式、下吸式和分區(qū)式。目前最常用的為上吸式和下吸式兩種固定床氣化爐，其工作原理及氣流走向如圖3所示。

圖3 兩種固定床氣化爐的原理及氣流走向

固定床氣化爐的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、操作較易，對原料的種類及粉碎度要求不高。缺點是相比其他類型的爐子產(chǎn)氣量較小，多用于小型氣化站，不適合較大的生產(chǎn)規(guī)模。

2.2 流化床氣化爐

流化床氣化爐是將顆粒狀的物料和氣化劑充分接觸發(fā)生氣化反應(yīng)[14]。按氣化爐的結(jié)構(gòu)和氣化過程，將流化床氣化爐分為單流化床氣化爐和循環(huán)流化床氣化爐。氣化爐的工作原理及氣流走向如圖4所示。

圖4 流化床氣化爐的原理及氣流走勢

流化床氣化爐具有溫度分布均勻、傳熱面積大、氣化效率高、能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)的特點，但要求使用的原料顆粒細小，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

2.3 氣流床氣化爐

氣流床氣化爐是將已被粉碎的原料和氣化劑同時進入氣化爐內(nèi)，特點是產(chǎn)生的大部分焦油可在氣化過程中裂化，從而使產(chǎn)生的可燃性氣體中不含焦油，而附著在氣化爐壁上的灰質(zhì)可作為熔渣，從而方便清理。

2.4 等離子體氣化爐

等離子體氣化爐是指當原料與由電生成的等離子體接觸后，原料中的有機物轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的可燃性合成氣體，而原料中的無機物變成玻璃化的惰性熔渣。優(yōu)點是氣化效率高，能夠得到不含焦油的可燃性氣體。

3 我國生物質(zhì)氣化技術(shù)存在的問題及發(fā)展趨勢

3.1 存在的問題

生物質(zhì)氣化技術(shù)的主要問題是焦油問題，也是氣化發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵部分，氣化過程產(chǎn)生的焦油過多，導(dǎo)致用于發(fā)電或供氣會造成一系列技術(shù)問題。氣化過程產(chǎn)生的氣體焦油遇冷會形成液態(tài)焦油，造成管道堵塞及污染氣缸；火花塞或燃氣孔堵塞，會導(dǎo)致發(fā)電和供氣設(shè)備無法正常運行。解決焦油問題最徹底的方法就是將焦油裂解為永久性氣體，因而研究焦油裂解的實用方法是當前急需解決的問題[15]。

二次污染問題是生物質(zhì)氣化技術(shù)的另一個問題。氣化裝置及凈化裝置需要用大量的水作為除塵、除焦介質(zhì)，當含有焦油的水和帶有灰塵的氣體排出，就會造成二次污染。除去灰塵污染只需提高氣化效率即可，但對于廢水的處理問題目前還沒有更好的方法，最根本的方法就是減少焦油的產(chǎn)生[16]。

生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的氣體熱值偏低也是制約我國生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展的一個問題，因為生物質(zhì)氣化后的可燃氣體成分少，熱值較低，為了滿足所需的正常熱量，就要消耗大量的氣體，這會造成貯氣柜體積增大，從而使貯氣柜的投資增加。

3.2 發(fā)展趨勢[17]

（1）研究產(chǎn)氣熱值高、氣化效率高的新型氣化爐技術(shù)。

（2）研究新的焦油脫除技術(shù)降低合成氣中的焦油含量。

（3）進一步研究流化床氣化爐技術(shù)是我國今后生物質(zhì)氣化研究的主要方向。

（4）開發(fā)規(guī)模較大的氣化爐，為以后大規(guī)模的生物質(zhì)氣化合成燃料提供設(shè)備支持。

（5）研發(fā)自動化和智能化程度高的氣化爐，加強原料的預(yù)處理是氣化爐在推廣和應(yīng)用過程中非常重要的組成部分。

（6）生物質(zhì)原料種類不同，氣化過程復(fù)雜多變，對熱解過程的機理研究具有重要的應(yīng)用價值。將來可以利用更加先進的分析儀器，對氣化過程中得到的產(chǎn)物能夠及時、準確地進行分析，獲得產(chǎn)物與反應(yīng)條件的規(guī)律性關(guān)系，將會對生物質(zhì)氣化技術(shù)的機理研究具有更加全面的認識。

（7）將生物質(zhì)氣化技術(shù)與氣化爐結(jié)合起來，以生物質(zhì)氣化工藝為指導(dǎo)進行裝置的開發(fā)，提高裝置的氣化效率，同時可以使生物質(zhì)氣化技術(shù)為實現(xiàn)以科技創(chuàng)新推動農(nóng)村環(huán)境保護、建立農(nóng)村生物質(zhì)綜合利用技術(shù)，加快社會主義新農(nóng)村建設(shè)步伐，加快改善農(nóng)民生產(chǎn)與生活環(huán)境的進程提供技術(shù)支持，提高國家的民生建設(shè)和經(jīng)濟建設(shè)。

4 結(jié)語

在當今世界資源整體形勢下，我國已連續(xù)在四個國家五年計劃中將生物質(zhì)能利用技術(shù)與應(yīng)用列為國家重點項目，展現(xiàn)出對生物質(zhì)能源利用的重視度。優(yōu)秀的科研成果和技術(shù)已經(jīng)進入市場，中小規(guī)模的集中供氣、供熱和發(fā)電已進入實用階段，使我國的生物質(zhì)氣化技術(shù)得到了快速的發(fā)展，但是總體仍然落后于歐美發(fā)達國家，所以，必須要時刻跟隨時代發(fā)展的需求，解決生物質(zhì)氣化的關(guān)鍵技術(shù)，研制相關(guān)的配套設(shè)施，解決技術(shù)和市場之間的供需問題，從而推進我國生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展。