第37卷第1期南京林業(yè)大學學報(自然科學版)Vol 37. No. 12013年1月Journal of Nanjing Forestry University( Natural Science Edition)Jan.,2013生物質(zhì)氣化技術(shù)的再認識張齊生,馬中青,周建斌(南京林業(yè)大學竹材工程研究中心,江蘇南京210037)摘要:近現(xiàn)代,生物技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和能源領(lǐng)域得到廣泛應用,對世界科技和經(jīng)濟發(fā)展起到重大的變革和促進作用。由于化石燃料資源性枯竭問題和環(huán)境污染問題,尋找一種清潔、可再生的替代燃料和燃料生產(chǎn)技術(shù)已迫在眉睫。生物質(zhì)氣化技術(shù)作為一種清潔的可再生能源利用技術(shù)得到了快速發(fā)展,然而由于氣化設(shè)備自身不夠成熟以及未對氣化副產(chǎn)物(生物質(zhì)炭和生物質(zhì)提取液)加以有效利用等問題,嚴重阻礙了生物質(zhì)氣化技術(shù)的商業(yè)化推廣和運行。生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是指基于生物質(zhì)下吸式固定床氣化的氣、固、液三相產(chǎn)品多聯(lián)產(chǎn)及其產(chǎn)品分相回收、利用技術(shù)。該技術(shù)的提出,以及相關(guān)核心設(shè)備的開發(fā)成功與應用,為生物質(zhì)氣化技術(shù)的進一步發(fā)展提供了新的思路。筆者詳細介紹了氣化技術(shù)發(fā)展的歷史和困境、生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的路線和核心設(shè)備以及多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)和應用情況。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化;多聯(lián)產(chǎn);下吸式固定床;生物質(zhì)炭;生物質(zhì)提取液中圖分類號:X74文獻標志碼:A文章編號:1000-2006(2013)01-0001-10History, challenge and solution of biomass gasification: a reviewZHANG Qisheng, MA Zhongqing, ZHOU JianbinBamboo Engineering Research Center, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, ChinaAbstract: Recently, as the widely application of biotechnology in the industry, agriculture and energy, it has been playing a great role in technology reform and economy growth. And currently, due to the problems of rapid depletion of fossil fuel and environmental pollution, people are looking for a renewable and green fuel and fuel processing technologyat can partially replace the fossil fuel. Biomass gasification technology, regarding as a renewable and sustainable bieenergy conversion technology, has been developing rapidly. However, for the immature gasification system and ineffective recycling utilization of gasification byproducts( bio-char and bio-extract ), it hinders the commercialization and oper-ation of gasification technology seriously. Biomass gasification poly-generation technology is defined as the compreheutilization of gas( producer gas), solid( bio-char)and liquid( bio-extract) products from biomass downdraft fixed bedgasification system. The presentation of poly-generation methodology and the successful application of the associated e-quipment provide a new guideline for the further development of biomass gasification technology. This paper describesthe history, challenge and solution of biomass gasification technologyKey words: biomass; gasification; poly-generation; downdraft fixed bed gasifier; bio-char; bio-extract生物技術(shù)特別是轉(zhuǎn)基因、克隆酶工程等技術(shù),質(zhì),主要包括種植、養(yǎng)殖、林業(yè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品加工和生已經(jīng)深入到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、化工醫(yī)藥、食品、能活等有機廢棄物,以及利用邊際性土地種植的能源源和環(huán)境保護各個領(lǐng)域?qū)κ澜缈萍己徒?jīng)濟發(fā)展起植物生產(chǎn)的纖維資源、油脂或其他次生代謝產(chǎn)物到重大的變革和促進作用;由于化石燃料資源性枯等。據(jù)估計,中國理論生物質(zhì)能資源約50億t,具竭問題和環(huán)境污染問題,人們寄希望于可再生、清有品種多、分散性強、能量密度低收集成本高等特潔的生物質(zhì)加工轉(zhuǎn)化成可替代化石燃料的生物燃點。因此,對生物質(zhì)進行能源開發(fā)宜采用分散式、料和化學產(chǎn)品-21分布式、中小規(guī)?；_發(fā)方式,將其就地、就近利生物質(zhì)是指可再生和循環(huán)利用的生物有機物用。經(jīng)過10多年的研究,生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的收稿日期:2012-12-05修回日期:2012-12-20基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2010cB7205;“+二五”國家科技支撐計丿rV凵中國煤化工村領(lǐng)城國家科技計劃(20|BAD15B05-04);國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項項目(201第一作者:張齊生,教授,中國工程院院士。E-mail:zhangs@nfu.com.cnCNMHG引文格式:張齊生,馬中青周建斌.生物質(zhì)氣化技術(shù)的再認識「.南京林業(yè)大學學報:自然科學版,2013,37(1):1-10南京林業(yè)大學學報(自然科學版)第37卷研究和應用,主要包括生物質(zhì)物理、化學和生物轉(zhuǎn)經(jīng)水洗凈化處理后轉(zhuǎn)變成大量的提取液,循環(huán)噴淋化技術(shù),已取得了突破性進展,特別是大規(guī)模的生后濃度逐漸增加;固定床氣化爐氣化的炭得率為物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)和生物質(zhì)乙醇技術(shù)的逐漸成熟,20%~30%,流化床的炭得率為5%-15%。氣化加上生命科學的飛速發(fā)展,人們已經(jīng)看到了這種綠副產(chǎn)物若不加以資源化利用,不僅降低了生物質(zhì)利色能源替代化石能源的潛力和希望3-7用效率,而且還會造成嚴重的環(huán)境污染。1生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展歷史和困境(2)氣化設(shè)備技術(shù)不夠成熟。固定床氣化技術(shù)針對的是中小規(guī)模應用,主要存在的問題有:①1.1生物質(zhì)氣化技術(shù)歷史機械化、自動化程度較低,如開心式的稻殼氣化爐生物質(zhì)氣化技術(shù)是以生物質(zhì)為原料,以氧氣容易架橋燒結(jié)運行時需要耗費大量人力在爐頂操(空氣、富氧性氣體或純氧等)、水蒸氣或氫氣等為作,威脅到操作人員安全;②焦油含量高,上吸式固氣化劑在高溫條件下通過熱化學反應將生物質(zhì)轉(zhuǎn)定床所產(chǎn)燃氣中含有大量的焦油,對燃氣凈化系統(tǒng)化為可燃性氣體的過程。生物質(zhì)氣化過程中還會造成巨大負擔,去除不凈造成管路、閥門堵塞,內(nèi)燃產(chǎn)生生物質(zhì)炭、生物質(zhì)提取液(活性有機物、焦油)機需頻繁維護;③規(guī)模小,目前固定床單臺產(chǎn)能等副產(chǎn)物。氣化技術(shù)可將低品位的固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)般都集中在200-50kW,不易放大規(guī)模,規(guī)模效化成高品位的可燃氣體,從而廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生益不佳;④發(fā)電效率低,氣化發(fā)電所用的內(nèi)燃機一產(chǎn)的各個領(lǐng)域如集中供氣供熱發(fā)電、費托合成般都由低轉(zhuǎn)速的柴油發(fā)電機改裝而成電轉(zhuǎn)化效率甲醇和乙醇等第2代生物燃料只有30%,固定床氣化發(fā)電效率為10%~15%。早在1798年,煤氣化技術(shù)就已經(jīng)在法國和英流化床氣化技術(shù)針對的是中等及以上規(guī)模應國出現(xiàn)。1812年,煤氣化產(chǎn)生的燃氣曾經(jīng)作為倫用,問題是:其一,若未采用BGC技術(shù)高溫的粗敦市照明的主要燃料。直到1840年,法國的燃氣和發(fā)電機尾氣的余熱未加以利用,熱效率低,Bischoff才開發(fā)出一種小型的商業(yè)化生物質(zhì)氣化發(fā)電機組功率小,發(fā)電效率低;其二,若采用BCC爐;1861年, Siemens在 Bischoff的基礎(chǔ)上進行了改技術(shù)進行規(guī)?；_發(fā)應用,那么整個氣化系統(tǒng)將非進。二次世界大戰(zhàn)后,由于中東地區(qū)大規(guī)模廉價優(yōu)常復雜,對系統(tǒng)的各個部分都有嚴格要求,需要開質(zhì)石油的開發(fā),幾乎所有發(fā)達國家的主要能源都轉(zhuǎn)發(fā)高氣化效率和低焦油含量可燃氣的氣化爐,配備為石油,生物質(zhì)氣化技術(shù)長時間處于停滯狀態(tài)。直能滿足燃氣輪機的高效燃氣凈化系統(tǒng),開發(fā)適用低熱值燃氣的燃氣機;其三,發(fā)電效率低,流化床氣化到1973年世界能源危機的爆發(fā),使西方國家認識發(fā)電效率也只有15%-25%,BCCC技術(shù)發(fā)電效到化石能源的不可再生性和分布的不均勻性,可再生能源的研究逐漸成為熱點,生物質(zhì)氣化技術(shù)作為率也只能達到35%。(3)經(jīng)濟效益不佳。目前看來,氣化發(fā)電的經(jīng)種重要的新能源技術(shù)重新引起全世界的關(guān)注和重視"12濟效益還不是很高,主要原因是:氣化產(chǎn)品單一,只產(chǎn)出電產(chǎn)品,而未開發(fā)以生物質(zhì)炭和生物質(zhì)提取液1.2生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展困境為原料的相關(guān)產(chǎn)品;氣化發(fā)電整體的電效率不高;生物質(zhì)氣化技術(shù)根據(jù)氣化爐的不同主要分為規(guī)模還不是很大,單位發(fā)電成本較高,規(guī)模效益體固定床氣化技術(shù)和流化床氣化技術(shù)。固定床氣化現(xiàn)不出來。爐優(yōu)點是裝置的結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、運行方便可從20世紀80年代起,我國的氣化技術(shù)迅速發(fā)靠缺點是內(nèi)部過程難于控制,易架橋,生產(chǎn)強度展全國各地已經(jīng)興建或正在興建的生物質(zhì)氣化發(fā)小。流化床氣化爐優(yōu)點是傳熱傳質(zhì)均勻,氣化反應電廠數(shù)不勝數(shù),由于受技術(shù)、資金、環(huán)境及安全等問速度快碳轉(zhuǎn)化率高易放大設(shè)計缺點是可燃氣中題的困擾能夠長期穩(wěn)定運行的不多。結(jié)合上述分灰分含量高,設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜,原料尺寸需要細小均析可知,生物質(zhì)氣化技術(shù)目前正處于商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)近些年雖然生物質(zhì)氣化技術(shù)在全世界各地引化的最艱難時期,相關(guān)科研和從業(yè)人員都在尋找適起研究和應用熱潮,但是大部分的氣化發(fā)電或供熱合中國國情的生物質(zhì)氣化發(fā)展新思路,致力于研究項目在開始運行不久后便難以為繼,究其原因,新工藝,開發(fā)新產(chǎn)品。主要分為以下幾點(1)氣化副產(chǎn)物未加以資源化利用。氣化過2.基于生/口廣中國蝶化多聯(lián)產(chǎn)程還會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物生物質(zhì)炭和生物質(zhì)提取技術(shù)的提片CNMHG液?？扇細庵薪褂鸵话阏既細饽芰康?%~10%,筆者所在研究團隊經(jīng)過近10a在生物質(zhì)固定第1期張齊生,等:生物質(zhì)氣化技術(shù)的再認識床氣化發(fā)電(或供熱)、木(或竹)炭、木(或竹)活會產(chǎn)出生物質(zhì)炭。生物質(zhì)燃氣可用于內(nèi)燃機發(fā)電性有機物和活性炭等方面的研究和應用,提出了或替代煤向鍋爐供熱;生物質(zhì)炭根據(jù)生物質(zhì)原料的“基于生物質(zhì)固定床氣化的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)”。區(qū)別于特性可分別制成速燃炭或燒烤炭,也用于冶金行業(yè)生物質(zhì)氣化熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)和生物質(zhì)整體氣化聯(lián)的保溫材料,或可制成炭基肥料緩釋劑、土壤改良合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(BGCC)等多聯(lián)產(chǎn)技術(shù),在此將劑修復劑等用于農(nóng)業(yè)還可制成高附加值的活性基于生物質(zhì)固定床氣化的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)”定義為基炭產(chǎn)品;生物質(zhì)提取液中的有機組分可加工成葉面于生物質(zhì)固定床氣化的氣、固、液三相產(chǎn)品多聯(lián)產(chǎn)肥等作物生長調(diào)節(jié)劑,也可制成抑菌殺菌劑,焦油技術(shù),即將生物質(zhì)可燃氣生物質(zhì)炭生物質(zhì)提取液可經(jīng)精煉提取成苯、甲苯、二甲苯(BTX)及其他用(活性有機物和焦油)三相產(chǎn)品分別加工開發(fā)成多途的化學品,或升級轉(zhuǎn)化為清潔生物液體燃料。種產(chǎn)品3-151。多聯(lián)產(chǎn)工藝的核心設(shè)備為下吸式固基于生物質(zhì)固定床氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是一條生定床氣化發(fā)電或供熱設(shè)備。生物質(zhì)固定床氣化多物質(zhì)綜合、高效、潔凈利用的先進技術(shù)路線,是綜合聯(lián)產(chǎn)工藝路線見圖1,生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝流程見解決生物質(zhì)氣化技術(shù)面臨困境的重要途徑和關(guān)鍵圖技術(shù),主要表現(xiàn)為(1)多聯(lián)產(chǎn)可以生產(chǎn)多種產(chǎn)品并提高生物質(zhì)內(nèi)燃機(發(fā)電的利用效率,多聯(lián)產(chǎn)在發(fā)電的同時,還可以大規(guī)模的生產(chǎn)炭基緩釋肥、活性炭、葉面肥、BX等高附混合物字品加值產(chǎn)品,拓展其在農(nóng)業(yè)和化工業(yè)上的應用,有效擴展了生物質(zhì)的利用范圍?！鷼饣钚註加(2)多聯(lián)產(chǎn)對因水洗產(chǎn)生的生物質(zhì)提取液和生物質(zhì)炭等副產(chǎn)物進行資源化利用能有效杜絕氣想生額加業(yè)用化過程的環(huán)境污染,滿足未來社會對環(huán)保更嚴格的肥料緩釋劑[嚷改良修復劑要求。活性3)多聯(lián)產(chǎn)還有利于提高系統(tǒng)可靠性和可用率,如果其中一種產(chǎn)品被社會淘汰或者經(jīng)濟效益并圖1生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)工藝路線不顯著,可以開展另外一種新興產(chǎn)品的應用,提高Fig. 1 Process flow chart of biomass gasification生物質(zhì)氣化技術(shù)的生命力polygeneration4)通過利用多臺1MW的氣化爐并聯(lián)集中發(fā)電機尾氣余熱回收利用供氣發(fā)電,擴大固定床氣化發(fā)電規(guī)模,對發(fā)電機尾風送氣余熱進行回收利用,提高生物質(zhì)利用效率,降低單位發(fā)電成本,提高生物質(zhì)規(guī)模效益。電3生物質(zhì)下吸式固定床氣化系統(tǒng)設(shè)備3.1生物質(zhì)下吸式固定床氣化爐發(fā)電機生物質(zhì)固定床氣化爐主要分為上吸式、下吸式氣化爐和橫吸式氣化爐。下吸式固定床氣化爐因浪筒于燥生物質(zhì)炭生物質(zhì)提取液其燃氣中焦油含量低(50~500mg/m2)的優(yōu)點特別適合于內(nèi)燃機發(fā)電,是目前固定床氣化爐中的研圖2生物質(zhì)固定床氣化發(fā)電工藝流程究熱點6-2。下吸式固定床氣化過程從上至下Fig2 Process flow chart of power generation using主要分為4個反應區(qū):干燥區(qū)、熱解區(qū)、氧化區(qū)和還biomass fixed bed gasification原區(qū)(圖3)6.2-21。下吸式氣化爐性能主要根據(jù)可燃氣的成分熱生物質(zhì)固定床氣化發(fā)電和供熱設(shè)備,主要由固值和產(chǎn)量,可燃氣中焦油含量,氣化爐的產(chǎn)能、碳轉(zhuǎn)定床氣化爐、燃氣凈化系統(tǒng)、內(nèi)燃機或燃氣鍋爐組化率和冷氣劉山中國煤化工主要受當量成。生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的燃氣經(jīng)凈化系統(tǒng)氣液分離比、表觀速度CNMHG水率、形態(tài)后分為生物質(zhì)燃氣和生物質(zhì)提取液,氣化爐下體還(粒徑))、氣化劑種類等因素的影響。以空氣為氣4南京林業(yè)大學學報(自然科學版)第37卷干燥區(qū):20-200℃,原料中自由水和和少量微量元素(堿金屬等),必須經(jīng)過凈化處理下數(shù)剩廣生可知集在峽氧的條件才能進入發(fā)電機發(fā)電。固體雜質(zhì)的去除比較簡單,結(jié)合水的蒸發(fā)熱解區(qū):20060干燥區(qū)一般采用干式和濕式這兩種物理法去除。干式除氧化區(qū):8120℃,生物質(zhì)炭與氣化灰主要設(shè)備有旋風分離器顆粒層過濾器、袋式除氣化劑氧化區(qū)塵器等。濕式除灰是利用液體(一般為水)作為捕氣化劑集體將氣體中雜質(zhì)捕集下來,主要設(shè)備有鼓泡塔、還原區(qū)還原區(qū):800-1000℃+HO→·C0+H噴淋塔、填料塔、文丘管洗滌器等。液體雜質(zhì),特別儲炭室可燃氣C+C0→·2C0是焦油組分的去除比較復雜,這是氣化技術(shù)的一大CO+H→→CO+H0難點。焦油去除方法主要有機械/物理法、熱裂解法和催化裂解法。雖然熱裂解法和催化裂解法實圖3下吸式固定床氣化爐氣化原理圖驗研究效果顯著,但是離工業(yè)化應用還有很大差Fig 3 Schematic diagram of downdraft fixed bed gasifier距,主要原因:催化劑易鈍化,價格昂貴,難以回收化劑,通過對木材3-、榛子殼1-、甘蔗利用;設(shè)備技術(shù)不成熟,成本投資太大等。因此目渣{31橄欖果渣{31、畜禽糞便5、稻殼、城市下前應用最廣泛的是機械/物理除灰/焦法3.3生物質(zhì)燃氣發(fā)電機水道污泥等生物質(zhì)進行氣化研究表明,下吸式固定床氣化爐的主要性能如下:當量比0.2~0.5下吸式固定床氣化發(fā)電所用發(fā)電機一般采用往復活塞式內(nèi)燃機(RCEs)中的柴油機,其具有熱含水率≤25%,可燃氣主要成分中,含CO15效率高、啟動性能好、耐久性好維護周期長的優(yōu)20%、H215%~20%、CH40.5%~2%、CO210%點。 RICEs對生物質(zhì)燃氣質(zhì)量要求是固體雜質(zhì)含15%,熱值4~6(MJ/Nm3),冷氣效率55%~809量少于50mg/Nm3,焦油含量少于100mgNm3碳轉(zhuǎn)化率75%~95%,電轉(zhuǎn)化率10%~15%。傳統(tǒng)的 RICEs一般都是以熱值較高的天然氣、柴筆者研究團隊開發(fā)的稻殼和木片下吸式固定油和汽油為燃料,而下吸式固定床氣化爐產(chǎn)出的生床氣化爐,為了克服固定床的缺點,進行如下改進物質(zhì)燃氣的熱值一般只有4~6MJ/Nm3,其中含氫(1)提高設(shè)備的機械自動化水平:進料和出炭氣量、氮氣量分別為15%~20%、40%~50%(體采用風送系統(tǒng),集中供料和收炭;氣化爐頂部采用積分數(shù)),而且可能還含有少量未凈化完全的焦撥料器自動撥料,爐內(nèi)采用爐排結(jié)構(gòu),通過液壓驅(qū)油。因此為了適應成分特殊、熱值更低的生物質(zhì)燃動升降往復,避免了爐內(nèi)架橋和燒穿現(xiàn)象,無需人氣燃料, RICEs必須經(jīng)過適當?shù)母倪M才能適用于燃工通爐。(2)降低焦油含量:采用二步進氣方法,提高氣發(fā)電,主要包括機械部件和燃燒工藝的改進,改爐內(nèi)反應溫度,使爐內(nèi)有兩個高溫氧化區(qū),使可燃進型柴油機的電轉(zhuǎn)化效率只有30%左右6.40目前適用于生物質(zhì)燃氣發(fā)電的改進型柴油機氣經(jīng)過二次裂解,不僅降低可燃氣焦油含量,還提般都在200~500kW,山東淄博淄柴新能源有限高燃氣熱值。(3)便于放大設(shè)計:氣化爐采用直筒形公司與筆者研究團隊合作已成功開發(fā)出1MW的( Stratified),而非喉式( Imbert)氣化爐,便于擴大燃氣柴油機,使之與1MW下吸式固定床氣化爐配規(guī)模設(shè)計。采用此種結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)成功開發(fā)出1套使用。MW的木片和稻殼氣化爐。4生物質(zhì)固定床氣化多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品研(4)延長使用壽命:氣化爐下爐體和爐排采究和應用分析用水夾套結(jié)構(gòu),既能冷卻不在反應區(qū)炭的溫度生物質(zhì)原料經(jīng)過固定床氣化后轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)又能降低爐體這幾個部位的溫度,延長爐體使用可燃氣、生物質(zhì)炭、生物質(zhì)提取液(活性有機物和壽命。焦油)三相產(chǎn)品,其中生物質(zhì)燃氣的應用已經(jīng)相對3.2生物質(zhì)燃氣凈化系統(tǒng)比較成熟,對生物質(zhì)炭和提取液的應用報道較少。生物質(zhì)氣化爐中產(chǎn)生的可燃氣為氣液混合物,生物質(zhì)原料經(jīng)過固定床氣化后轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)三相不能直接加以利用,其中含有大量雜質(zhì),主要是固產(chǎn)品見圖4,圉中國煤化工目實例見圖體雜質(zhì)(灰焦炭、顆粒)液體雜質(zhì)(焦油、水蒸氣)5,生物質(zhì)提取CNMHG第1期張齊生,等:生物質(zhì)氣化技術(shù)的再認識圖4生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的氣、固、液產(chǎn)品Fig 4 Gas-solid-liquid products from biomass gasification江蘇丹陽200kW木片發(fā)電浙江建德500kW木片發(fā)電安徽潁上500kW稻殼發(fā)電江蘇常州2000kW稻殼供熱圖5固定床生物質(zhì)氣化發(fā)電項目實例Fig 5 Few power generation projects of fixed bed gasifiers空白對照組100倍稀釋提取液200倍稀釋提取液蘋果噴灑提取液著色對比左側(cè)噴施、右側(cè)未噴施提取液空白對照組400倍稀釋提取液噴施提取液對水稻的影響提取液對黃瓜根結(jié)線蟲中國煤化工圖6提取液在農(nóng)業(yè)上的應用CNMHGFig.6 The application of bio-extract in6南京林業(yè)大學學報(自然科學版)第37卷4.1生物質(zhì)可燃氣的應用(發(fā)電和供熱)分析始商業(yè)化運行。世界范圍內(nèi)有文獻記載的商業(yè)化的生物質(zhì)下筆者認為,通過開發(fā)出1MW的固定床氣化爐吸式固定床氣化發(fā)電(或供熱)項目情況,在發(fā)達及配套的1MW燃氣發(fā)電機,然后多臺并聯(lián)的1國家或者發(fā)展中國家都有分布,基本上屬于小規(guī)模MW氣化爐通過儲氣罐供氣給多臺并聯(lián)的1MW的應用(≤3MW)(表1)2,41-42。燃氣用于供熱的發(fā)電機即可實現(xiàn)下吸式固定床氣化發(fā)電技術(shù)的時,需要在鍋爐前加裝特殊燃燒器。南京林業(yè)大學中等及以上規(guī)模化生產(chǎn),產(chǎn)生的電可并網(wǎng)使用。通經(jīng)過多年的研究成功開發(fā)出以稻殼和木片為原料過并網(wǎng)模式可以實現(xiàn)固定床氣化發(fā)電的規(guī)模化發(fā)的500~1000kW的下吸式固定床氣化發(fā)電(或供展,再通過回收發(fā)電機尾氣(400~500℃)的熱能,熱)設(shè)備,其中在安徽潁上和江蘇常州的項目已經(jīng)用于干燥原料,進一步提高生物質(zhì)熱效率,是一種成功連續(xù)運行超過2年,技術(shù)已經(jīng)成熟,另外還有有潛力的可再生能源利用方式。幾個項目正在建設(shè)和調(diào)試中,2年之內(nèi)也將全部開表1文獻記載的生物質(zhì)下吸式固定床氣化爐的商業(yè)化應用項目Table 1 Recorded commercially available downdraft fixed bed gasifiers in the world應用地原料產(chǎn)能/kW生產(chǎn)商(技術(shù)支持單位)美國木材1000CLEW美國木片,玉米棒Stwalley Engg丹麥木材加工剩余物Hollesen Engg新西蘭木塊,木法國木材,農(nóng)業(yè)剩余物100~600Martezo英國木片,榛子殼Newcastle Univ of Tech英國農(nóng)業(yè)加工剩余物300瑞土木材,農(nóng)業(yè)生物質(zhì)50~2500DASAG瑞士木材25-4000HTV Energy印度木片,稻殼印度木材,玉米棒,稻殼Ankur Scientific Energy Technology南非木塊,木片30-500SystBM Johansson gas producers荷蘭稻殼KARA Energy Systems中國北京鋸末Huairou Wood equipment中國山東農(nóng)作物秸稈300中國湖南農(nóng)作物秸稈Dalian Integrated Gas Supply System中國江蘇鎮(zhèn)江木片南京林業(yè)大學中國黑龍江500②南京林業(yè)大學中國安徽額上稻殼南京林業(yè)大學中國浙江杭州木片南京林業(yè)大學中國江蘇常州稻殼2000南京林業(yè)大學中國廣西南寧南京林業(yè)大學(正在調(diào)試)中國浙江嘉興木片5000南京林業(yè)大學(正在建設(shè))中國湖南稻殼500南京林業(yè)大學(正在建設(shè))中國山東威海果樹枝條I000南京林業(yè)大學(正在建設(shè))注:*產(chǎn)能單位為kgz/h;①燃氣用于供熱的產(chǎn)能:②燃氣用于發(fā)電的產(chǎn)能4.2生物質(zhì)炭的應用分析作物秸稈炭、木炭和稻殼炭等。表2列出3種氣化4.2.1生物質(zhì)炭的組成炭的元素和工業(yè)分析,文獻[13]中分析了幾種炭生物質(zhì)炭(Bio-char)是指由富含碳的生物質(zhì)的微量元素含量、比表面積、孔容和孔徑分布。總通過裂解或者不完全燃燒生成的一種富炭產(chǎn)物。體上說,固定床氣化產(chǎn)件的生物質(zhì)巖還目備一定的生物質(zhì)經(jīng)過下吸式固定床氣化后,產(chǎn)炭率為15%燃燒熱,富含植中國煤化工等營25%。生物質(zhì)炭根據(jù)其原料的不同,可分為農(nóng)養(yǎng)元素,具備較CNMHG北1第1期張齊生等:生物質(zhì)氣化技術(shù)的再認識表2幾種下吸式固定床氣化生物質(zhì)炭的元素及工業(yè)分析Table 2 Element analysis and industrial analysis of some biochar from downdraft fixed bed工業(yè)分析 industrial analysis元素分析/% element analysis生物質(zhì)炭c(揮發(fā)分)/c(固定碳)/c(灰分)/高位熱值(kJ·kgCHhigh heating value81.60..80.122.1稻草炭21.7221541.58.40.40.0762.34.2.2農(nóng)業(yè)用——有機復合肥料和土壤修復劑型炭和速燃炭,可替代煤廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和民用生物質(zhì)炭主要由碳元素組成,并富含植物生長生活,如工業(yè)鍋爐、供暖、餐飲、燒烤等。生物質(zhì)成所必需的營養(yǎng)元素及發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu),pH為8~10,型炭燃料具有形狀規(guī)則、較高的堆積密度與強度因此其在農(nóng)業(yè)上應用的前景廣闊。其主要作用有:易燃、無煙、無污染、灰分少、熱值高等優(yōu)點。速燃(1)堿性的生物質(zhì)炭可以改良酸性土壤;(2)生物炭制作時還需要添加一定量的引燃劑,包括各類易質(zhì)炭發(fā)達的孔隙可以增強土壤的通氣性和保水能燃的無機材料,碳酸鈉、硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鍶、氯力,同時也為微生物提供了生存和繁殖的場所;生物化鈉以及以一定質(zhì)量比例混合的氫氧化鋁和氯化質(zhì)炭的孔隙可以影響作物對分子的吸附和轉(zhuǎn)移;鈉確保制成的速燃炭滿足“一點即燃”3)生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)使表層土壤空隙度增加,4.2.4工業(yè)用——活性炭/冶金保溫材料密度減小,這種結(jié)構(gòu)有利于植物根系的生長,從而促氣化產(chǎn)生的木炭具有較高的固定碳,較低的灰進作物地上部分的生長,提高作物的產(chǎn)量;(4)生物分,非常適合制成活性炭產(chǎn)品,提高生物質(zhì)炭的附質(zhì)炭可以吸附和保持水分,并且可以增強土壤水分加值,已有人對其可行性進行了研究““。稻殼的滲透性;(5)生物炭在土壤中有極強的抗徵生物炭和稻草炭等雖然灰分含量較高,但是其Si含量和化學分解的能力,這使得它可以在土壤中存儲較也非常高,因此也可考慮用其制活性炭同時提取長的時間同時緩慢釋放營養(yǎng)供植物吸收;(6)生物SiO2。稻殼炭目前主要還是用于冶金行業(yè)的保溫質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)和表面豐富的含氧官能團使得生物材料,將其覆蓋在鋼水、鐵水上進行保溫,可大大提質(zhì)炭具有較強的吸附有毒物質(zhì)的能力,可以用來修高成品率。復污染土壤;(7)生物質(zhì)炭具有積聚能量的性能,能4.3生物質(zhì)提取液(活性有機物和焦油)的應用適當提供土壤溫度(1~3℃)。分析基于生物質(zhì)炭的以上功能,開展農(nóng)作物秸稈炭4.3.1生物質(zhì)提取液成分(稻草炭、麥秸炭、玉米秸炭等)在農(nóng)業(yè)上的應用,生物質(zhì)燃氣經(jīng)水洗和冷凝后會產(chǎn)生大量提取制成炭基復合肥料和土壤修復劑,使之“取之于液,提取液循環(huán)噴淋后濃度會逐漸增加。提取液的田,用之于田”,對促進農(nóng)業(yè)低碳、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)主要成分可分為兩大類:一類為水溶性的活性有機展具有重要意義。沈陽農(nóng)業(yè)大學以農(nóng)作物秸稈炭物,主要成分為有機酸、酚類醛類、酮類、酯類等有為原料制成炭基緩釋肥料,在大田試驗中表現(xiàn)出明機物;另一類為易溶于有機溶劑的焦油,主要成分顯的增產(chǎn)和提高品質(zhì)效果,同時減少養(yǎng)分的淋溶損為芳香族化合物,大部分的焦油(分子質(zhì)量較大)失和化學肥料的面源污染,維持了土壤的可持續(xù)生都會沉淀在提取液循環(huán)池底部,少量的焦油(分子產(chǎn)能力,目前正處于市場開發(fā)和推廣階段““。質(zhì)量較小)會漂浮于提取液表面南京林業(yè)大學也利用生物質(zhì)炭開發(fā)出有機肥料,基目前關(guān)于生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的活性有機物和焦質(zhì)等產(chǎn)品用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?，F(xiàn)在,炭基復合肥料等產(chǎn)油的具體組分的數(shù)據(jù)非常有限,而關(guān)于生物質(zhì)熱解品都處于工業(yè)化推廣階段,需通過大規(guī)模推廣應用產(chǎn)生的醋液的成分的定量和定性分析非常詳細,兩來驗證生物質(zhì)炭還田的各種性能與效果種工藝同屬生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化,只是溫度和工藝有4.2.3民用——成型炭燃料定的差異。由文獻[50]可知幾種生物質(zhì)熱解醋根據(jù)表2可以看出生物質(zhì)炭還有一定的燃燒液的主要成分中國煤化工類等,密度熱值,特別是木炭熱值達到近31768kJ/kg,甚至為1~1.1gCNMH(棕色,并且超過標煤的熱值(29260kJ/kg),因此將其制成成具有濃煙焦味。通過GC/MS分析了熱解產(chǎn)生的竹南京林業(yè)大學學報(自然科學版)第37卷焦油的化學組分,含93種化合物,主要分為脂肪族解制生物油的研究非常多,很多研究者將其作為可化合物和芳香族化合物。脂肪族化合物的相對含替代柴油汽油的可再生綠色燃料進行開發(fā)和應量為7.31%,主要為環(huán)戊烯酮和有機酸衍生物;芳用。快速裂解生物油由于黏度高腐蝕性強、熱不香族化合物的相對含量為75.24%,主要為烷基苯穩(wěn)定、易老化和低熱值等缺點,難以直接作為燃料酚烷基苯、雜環(huán)類及其取代物S使用。目前有幾種方法對其進行品質(zhì)升級,有物理4.3.2生物質(zhì)活性有機物提取液的應用方法和催化升級等方法。物理方法:通過添加極性日本韓國等國家對竹醋液的研究較為深入,溶劑(如甲醇),可改善生物油的黏度和均勻性,提已廣泛應用于工農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護領(lǐng)域。經(jīng)過江蘇高熱值;或者添加表面活性劑后與柴油進行混合乳省疾病預防中心的細胞毒性試驗遺傳毒性試驗和化,經(jīng)過物理法升級的生物油可替代柴油、汽油等經(jīng)口急慢毒性試驗證實活性有機物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上供發(fā)電機發(fā)電或供鍋爐燃燒。催化升級:通過催化使用安全。大量研究表明,活性有機物具有以下功加氫和催化裂解等方法,主要是去除生物油中的氧能2-y]:(1)促進農(nóng)作物種子發(fā)芽、生根、生長;元素提高生物油的熱值。(2)提高水果的產(chǎn)量和糖度,改善鮮果口感和外觀氣化焦油和快速裂解產(chǎn)生的焦油(生物油)的品質(zhì);(3)具有抑菌、殺菌和驅(qū)避害蟲能力;(4)防熱值相差不大(表3),只是氣化焦油中水分、碳元治土壤中根結(jié)線蟲病。素和灰分含量更高,因此氣化焦油與快速熱解生物鑒于活性有機物的以上功效,可制成植物生長油一樣具備制成高品質(zhì)生物油的潛力。調(diào)節(jié)劑(葉面肥)和抑菌、殺菌劑。筆者所在團隊表3快速熱解和氣化產(chǎn)生焦油的組分和熱值在寧夏、江西、江蘇、山東等省市對幾種水果開展葉Table 3 Chemical composition and heating value ofbio-oil (tar)from fast pyrolysis and gasification面肥的田間試驗發(fā)現(xiàn),提取液能增加西紅柿的座果化學組成/%率,改善蘋果的著色、口感和產(chǎn)量;與山東新港生物高位熱值原料含水率/%mical composition (M.kg "科技有限公司合作開發(fā)的葉面肥經(jīng)2年多的推廣moistureC 0 N灰分 high heatin應用,證明不僅具有肥效,又具有抑蟲防病的功能,能提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì),在農(nóng)民中反響很好,推廣應氣化焦油507661154.11.516.8用前景廣闊。另外,研究了提取液對線蟲病的防治快速熱解油25566380.10.11效果,使用400倍稀釋的提取液對盆栽黃瓜土壤進目前,生物質(zhì)氣化的焦油還難以進行工業(yè)化應行澆灌與空白對照組對比后發(fā)現(xiàn),土壤pH下降用。原因是與煤焦油相比,各地氣化工廠產(chǎn)生的焦15.81%,病株率下降5454%,病情指數(shù)下降油太分散,且產(chǎn)量也不是很大,最好隔一段時間收59.51%,證明其對防治線蟲病有良好的效果。此集清理一次,如果不能高附加值利用,為防止造成項技術(shù)的成功推廣應用將有效減少農(nóng)藥用量,緩解環(huán)境污染,可直接與原料混合后進氣化爐再次氣有害生物的抗藥性減輕農(nóng)藥對環(huán)境的毒性壓力,化,或者與木炭混合制成成型炭棒供鍋爐燃燒。促進我國無公害、綠色及有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展。提取液在農(nóng)業(yè)上的應用效果見圖6。5結(jié)語4.3.3生物質(zhì)焦油的應用綜上所述,生物質(zhì)氣化技術(shù)的困境主要是技術(shù)(1)特殊化學品。目前生物質(zhì)氣化焦油的產(chǎn)不夠成熟,氣化副產(chǎn)物未加以資源化利用,規(guī)模效品開發(fā)還很少,然而煤焦油相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)卻已非常益不突出。生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的提出為生物成熟。全世界每年需要消耗37×10t芳烴類化質(zhì)氣化技術(shù)走出困境指明了新思路將徹底解決氣學品,其中有1/6只能從煤焦油提取出來,例如化技術(shù)目前存在的問題。生物質(zhì)氣化技術(shù)雖然是15%-25%的BTX(苯、甲苯和二甲苯)和95%的項傳統(tǒng)的技術(shù),但是在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上,深入多環(huán)芳烴只能來自于煤焦油。為了得到高附加值研究它的發(fā)生、發(fā)展和調(diào)控規(guī)律,克服它固有的某的化學品,根據(jù)焦油成分沸點的不同焦油需要通些缺陷,并賦予它更多的新活力。對生物質(zhì)氣化技過蒸餾進行粗分,然后再使用其他的技術(shù)進行提純術(shù)的認識和應用,將會在我國和世界的生物質(zhì)資源分離成各種化學品。煤焦油的高附加值提純利用,化利用領(lǐng)域中發(fā)揮它應有的獻。可為生物質(zhì)氣化大規(guī)模發(fā)展產(chǎn)生的生物質(zhì)焦油的中國煤化工應用提供思路。參考文獻( 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