第13卷第3期中國水運Vo1.13No.32013年3 月China Water TransportMarch2013生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進展劉立新(武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北武汊430071 )摘要:生物質(zhì)能是分布廣泛、二氧化碳“零排放”的可再生能源，生物質(zhì)氣化技術(shù)是高效利用生物質(zhì)能的技術(shù)之一。文中對生物質(zhì)氣化的原理，影響因素以及該技術(shù)面臨的焦油這一-主要問題的解決方案進行闡述。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化;影響因素;焦油中圖分類號: S216文獻標(biāo)識碼: A文章編號: 1006-7973 (2013) 03-0074-02伴隨著人類社會的不斷進步,對能源的需求也日益增長。下可裂解為可燃氣)和氣態(tài)二氧化碳、水蒸氣和可燃氣(包然而現(xiàn)有能源中，占據(jù)主要地位的化石能源一煤、 石油、括氫氣、-氧化碳和低分子烴類物質(zhì))，其反應(yīng)方程式可表示天然氣已面臨資源匱乏的境地，且其大量使用引發(fā)的大氣污為千生物質(zhì)+熱量→CO2+焦炭+焦油+可燃氣+H2O;還原區(qū)染、光化學(xué)污染、酸雨、溫室效應(yīng)等一系列環(huán)境問題也讓環(huán)主要發(fā)生熱分解區(qū)產(chǎn)生的炭及大分子有機化合物與H2O及境保護面臨巨大壓力;其他能源利用也存在局限性，核能存CO2的反應(yīng);氧化區(qū)的反應(yīng)為放熱反應(yīng),釋放的熱量為其他在廢料處理、安全及原料不可再生的瓶頸;可再生能源中太階段的反應(yīng)提供熱源，保證反應(yīng)順利進行。實際氣化過程中,陽能、風(fēng)能的利用成本較高，大水電對生態(tài)系統(tǒng)存在潛在威上述三步反應(yīng)并沒有嚴格界線，生物質(zhì)經(jīng)歷上述反應(yīng)得到氣脅，地?zé)崮堋⒊毕苡械赜蛐缘木窒?。而生物質(zhì)能以其分布化初產(chǎn)品合成氣,其組分是決定后續(xù)利用的關(guān)鍵因素。廣泛且產(chǎn)量巨大、可再生，二氧化碳“零排放”等優(yōu)勢吸引三、生物質(zhì)氣化的影響因素著越來越多的關(guān)注。影響氣化過程的因素主要有原料的氣化特性(如含水量、- -、生物質(zhì)的利用形式及其發(fā)展歷程反應(yīng)性、灰分、原料尺寸等)和氣化條件(包含溫度、氣化生物質(zhì)能利用形式多樣，按照其提供產(chǎn)晶的形式可將其設(shè)備結(jié)構(gòu)、氣化劑種類等)。分為轉(zhuǎn)化為能量和方便運輸?shù)膬?yōu)質(zhì)燃料兩種方式，其中直接1.含水量;燃燒和熱解氣化是提供能量的轉(zhuǎn)化方式，氣化(發(fā)酵、熱解原料含水量對氣化的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，水分蒸氣化)和液化(熱解、生物柴油、發(fā)酵)。發(fā)需要消耗氣化過程中氧化反應(yīng)所放出的熱量，降低氣化區(qū)生物質(zhì)直接燃繞由于生物質(zhì)原料堆密度小、熱值低，且域溫度，會造成烴的不完全裂解，使產(chǎn)氣量減少;另外，增在我國面臨分布分散的問題，導(dǎo)致運輸成本高，其經(jīng)濟性需加水分促進水氣置換反應(yīng)CO+H2O +CO2+H2的發(fā)生，使進行論證;發(fā)酵的原料- -般為玉米、小麥等糧食作物，有引H2/CO比例增大，但原料含水量增加使產(chǎn)氣熱值降低。發(fā)糧食危機的風(fēng)險，另外大規(guī)模種植單- -物種 也會破壞生物2.堿(土)金屬多樣性，因此目前關(guān)于此項轉(zhuǎn)化技術(shù)開展了有關(guān)水藻等原料生物質(zhì)灰分主要成份為堿(土)金屬氧化物, siO2 Al2O3的研究;生物質(zhì)直接液化是直接在有一-定溫度和壓力的設(shè)備等{,一般堿(土)金屬共熔體灰熔點較低[2,對于反應(yīng)性好中加入適當(dāng)?shù)娜軇┖蜕镔|(zhì)，在催化或無催化的條件下，使.的原料，可在較低溫度下操作，因此其氣化過程不易結(jié)渣，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液化油，產(chǎn)物可作為汽車燃料或通過進一步的若生物質(zhì)灰分中含有較多堿(土)金屬氧化物，氣化過程中分離處理形成化工產(chǎn)品,該技術(shù)目前仍處于實驗室研究階段。生成低熔點共熔體的可能性大大增加，結(jié)渣風(fēng)險增大，不利生物質(zhì)氣化技術(shù)既可將生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能或熱于氣化反應(yīng)，值得注意的是，目前研究表明堿(土)金屬對能，也可將其轉(zhuǎn)化為氣體或液體燃料，擴展了生物質(zhì)的應(yīng)用氣化反應(yīng)有催化作用,因此在不造成氣化設(shè)備結(jié)渣的前提下，范圍，氣化產(chǎn)品不僅可以用于發(fā)電，工業(yè)供熱等，還可以通生物質(zhì)中的堿(土)金屬可促進氣化反應(yīng)的進行。過F-T合成轉(zhuǎn)化為液體燃料而用于發(fā)動機",通過恰當(dāng)?shù)膬?.粒徑化處理后還可作為燃料電池的原料等。粒徑小的原料比表面積大，可提供較多的反應(yīng)表面，且二、生物質(zhì)氣化的原理其熱阻力也較小，使氣化爐內(nèi)的溫度分布更加均勻，氣化效生物質(zhì)在氣化爐中經(jīng)歷- -系列復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，由固果好。原料粒徑分布的均勻性主要影響氣流分布，若將未篩態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成氣，按生物質(zhì)在氣化設(shè)備中的反應(yīng)可將分的原料加入固定床內(nèi),會造成大顆粒在床層中分布不均，其劃分為4個區(qū)，千燥區(qū)、熱解區(qū)、還原區(qū)和氧化區(qū)，反應(yīng)并形成阻力較大和阻力較小的區(qū)域，形成局部強烈燃燒溫度可分為熱分解過程、還原過程和炭的燃燒過程。生物質(zhì)原料過高，造成氣化局部上移或燒結(jié)形成“架空"現(xiàn)象。嚴重時，.進入氣化設(shè)備中首先被干燥，然后發(fā)生熱解反應(yīng)，析出大部氣化層可能越出原料層表面，出現(xiàn)“燒穿”現(xiàn)象，從“燒穿"分揮發(fā)分，其主要產(chǎn)物是固態(tài)焦炭、液態(tài)焦油(在適當(dāng)條件區(qū)出來的氣化劑就會使產(chǎn)生的氣體燃料燒掉，嚴重降低氣體收稿日期: 2013-01-06作者簡介:劉立新(1966-), 男，武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司高級工程師。第3期劉立新:生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進展75燃料質(zhì)量，使氣化器處于不正常操作狀態(tài)。因此，氣化原料結(jié)合造成設(shè)備管道的堵塞、腐蝕等問題，且焦油不易完全燃必須經(jīng)過篩分預(yù)處理。饒，形成的炭黑等顆粒會損壞后續(xù)如內(nèi)燃機、燃氣輪機等以4.溫度產(chǎn)氣為原料的設(shè)備;特別地，焦油是-種成分及其復(fù)雜的混在不同的氣化條件下，氣化產(chǎn)物成分的變化很大，主要合物，組分多達200多種，其中-些組分的致癌性會給人類取決于熱分解反應(yīng)和熱分解產(chǎn)物的二次反應(yīng)進行的程度。反健康及環(huán)境帶來危害。應(yīng)溫度是影響氣化過程的主要因素，溫度的高低不僅會影響1.焦油脫除方法一物理法產(chǎn)氣的速率，而且對物料反應(yīng)過程中的吸放熱等可逆反應(yīng)也目前對于焦油問題采取的措施主要有焦油裂解和焦油移-定的影響，從而最終影響到氣化產(chǎn)物分布、產(chǎn)品氣的組成、除，前者主要包括優(yōu)化氣化爐運行條件降低焦油生成量和化產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣熱值等。學(xué)除焦油法，按照是否使用添加劑分為熱裂解法和催化裂解氣化爐法，原理是把焦油轉(zhuǎn)化為小分氣體;后者主要包括淋洗法、氣化爐提供氣化反應(yīng)所需條件，其設(shè)備結(jié)構(gòu)對氣化影響過濾和電捕集法3種物理除焦油法，物理法只能降低產(chǎn)氣中很大。根據(jù)運行方式，可分為固定床、流化床和氣流床。焦油的含量，并不能真正的消除焦油，還存在后續(xù)處理的問固定床氣化爐是使原料在處于相對靜止的床層中完成氣題。荷蘭的ECN5除了上面提到的幾種方法外，還對焦油的化反應(yīng)，根據(jù)氣流運動方向的不同，固定床氣化爐又可以分移除采用油洗，對焦油的裂解使用等離子方法，其中油洗焦為上吸式下吸式和橫吸式3種。上吸式固定床爐內(nèi)氣體與油的效果要優(yōu)于水洗焦油，但等離子技術(shù)對焦油裂解的影響物料運動方向相反，熱效率高，且可燃氣中灰分含量少，但還需要改進;吳文廣川等還指出部分氧化法去除焦油，即在其焦油含量高。下吸式固定床爐內(nèi)氣體與物料運動方向-一致，過量空氣系數(shù)小于1的條件下，利用部分生物質(zhì)氣化氣燃燒可燃氣中焦油含量較少，但對引風(fēng)機功耗要求高，且可燃氣產(chǎn)熱，在高溫和氧化條件下生成自由基脫除焦油，但該方法溫度高需冷卻，爐內(nèi)熱效率較低。橫吸式固定床氣化爐物料機理不明，目前關(guān)注較少。在爐內(nèi)的停留時間短，且還原層的容積較小，燃氣質(zhì)量不好，2. 焦油脫除方法- 化學(xué)法且排出的氣體溫度高，其熱效率很低。熱裂解法由于需要很高的溫度，對反應(yīng)器材質(zhì)要求高，三種固定床氣化爐中,橫吸式固定床氣化爐的應(yīng)用很少，且能源消耗大，一-般不予考慮。 催化裂解法降低焦油含量是下吸式固定床應(yīng)用最為廣泛，但固定床生產(chǎn)能力較小，且對利用催化劑提高焦油的裂解率以降低焦油含量，使用合適的細小顆粒、堆密度小的無法依靠自身重力流動的原料無法處催化劑后，不僅能使焦油裂解溫度降低至700~900C,還能理，此時流化床氣化爐獨特的優(yōu)勢顯現(xiàn)出來3。提高焦油的轉(zhuǎn)化效率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效應(yīng)，因此，針對不流化床氣化爐的流化介質(zhì)一般為惰性材料石英砂等。按同的氣化情況選擇或改良合適的催化劑是目前重點研究的方照原料供應(yīng)方式的不同,流化床氣化爐可分為鼓泡床氣化爐、向，綜合考慮經(jīng)濟性和轉(zhuǎn)化效果，常見催化劑有天然礦石、循環(huán)流化床氣化爐和雙流化床氣化爐。流化床氣化爐的優(yōu)點改性天然礦石(加入鎳、鐵等)及鎳基催化劑。是物料反應(yīng)溫度十分均勻，氣化反應(yīng)快，產(chǎn)氣率高，且可燃五、結(jié)語氣中焦油含量較少、可燃氣熱值較高;但其可燃氣中灰分含隨著研究的深入，生物質(zhì)氣化技術(shù)也將越來越成熟，生量較多，且氣化爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜對原料適應(yīng)性有限。物質(zhì)能廣泛的存在，生物質(zhì)氣化技術(shù)對其多方位的利用，生由于固定床氣化爐和流化床氣化爐的氣化溫度- -般不會物質(zhì)能將會我們提供源源不斷的能量，促進社會可持續(xù)發(fā)展。超過1,000C,產(chǎn)生的可燃氣體中均含有一-定量的焦油，造成后續(xù)利用困難。為了解決焦油含量高的問題，生物質(zhì)氣流參考文獻床這一高溫氣化技術(shù)正在進行實驗研究。1] S.P. Babu，Gasification of Biomass for Power an6.氣化劑Fuels[R]. 2008: Tokyo.氣化劑作為氣化反應(yīng)的反應(yīng)物之-,對氣化反應(yīng)影響很|2] P. McKendry，Energy production fom biomass (part3) :大，目前有研究應(yīng)用的主要有空氣、水蒸汽、空氣+水蒸汽、gasification technologicsU]. Bioresource Technology, 2002,氧氣和氫氣五種形式，按照產(chǎn)氣的熱值高低2將其分為3類, .(83) : 55- -63.，以空氣、空氣+水蒸汽為氣化劑生成低熱值合成氣,用于燃燒[3]陳平.生物質(zhì)流化床氣化機理與工業(yè)應(yīng)用研究[D].合肥:或發(fā)動機燃料;以氧氣水蒸汽為氣化劑生成中熱值合成氣,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.可作為化學(xué)產(chǎn)品的原料;以氫氣為氣化劑的合成氣，但其無[4] D. Dayton, A Review of the Literature on Catalytic Biomass實際應(yīng)用。可根據(jù)實際用途選擇合適的氣化劑進行氣化反應(yīng)。Tar Destnuction [R]. 2002, NREL/TP-510-32815.四、焦油的危害[5] C.A Mullen, A.A. Boateng, K.B. Hicks, et al, Analysis and氣化的產(chǎn)物主要包括幾類物質(zhì)，氣態(tài)產(chǎn)物CO、H> CO2、Comparison of Bio -Oil Produced by Fast Pyrolysis fromCH,和其他輕烴C2-Cz、有機雜質(zhì)焦油、無機雜質(zhì)H2S、HCI、Three Barley Biomass/ Byproduct Stteams[]. Energy &HCN、NH3、堿金屬和顆粒物!|等,其中焦油問題最為突出，F(xiàn)uels, 2010, 24(1) : 699-706.是限制生物質(zhì)氣化大規(guī)模發(fā)展的瓶頸。焦油的存在不僅降低[6] 吳文廣，羅永浩，陳祎等.生物質(zhì)焦油凈化方法研究進展了整體氣化效率，造成能量浪費;還易冷凝，與水和炭粒等0]-工業(yè)加熱，2008，37 (2) : 1-5.