區(qū)域供熱2010.3期生物質(zhì)氣化技術(shù)原理及應(yīng)用分析福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院鄭昀濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司邵巖李斌【摘要】生物質(zhì)能是一種理想的可再生能源。由于分布廣泛、有利于環(huán)保等特點(diǎn),因而越來越受到世界各國的關(guān)注。生物質(zhì)氣化技術(shù)是利用生物質(zhì)能的一種方式。本文介紹了生物質(zhì)氣化技術(shù)的原理,生物質(zhì)氣化工藝及氣化設(shè)備目前應(yīng)用較多的氣化技術(shù)是生物質(zhì)氣化供氣和生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)文中提出了應(yīng)用過程中存在的問題,提高效率、降低焦油含量等是今后利用生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展方向?！娟P(guān)鍵詞】生物質(zhì)氣化原理氣化技術(shù)應(yīng)用前言1生物質(zhì)氣化技術(shù)生物質(zhì)能是指由光合作用而產(chǎn)生的各種1.1生物質(zhì)氣化技術(shù)的原理有機(jī)體,光合作用利用空氣中的二氧化碳和生物質(zhì)氣化是利用空氣中的氧氣或含氧土壤中的水,將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為碳水化物作氣化劑在高溫條件下將生物質(zhì)燃料中的合物和氧氣。生物質(zhì)通常包括農(nóng)業(yè)廢棄物、可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?主要是氫氣、一氧化材及森林工業(yè)廢棄物、禽畜糞便、城鎮(zhèn)生活垃碳和甲烷)的熱化學(xué)反應(yīng)。20世紀(jì)70年代,圾以及能源作物等幾種類型。生物質(zhì)能具有 Ghaly首次提出了將氣化技術(shù)應(yīng)用于生物質(zhì)以下特點(diǎn):(1)屬于可再生能源,可保證能源這種含能密度低的燃料。生物質(zhì)的揮發(fā)分含量的永續(xù)利用;(2)種類多而分布廣,便于就地一般在76%86%生物質(zhì)受熱后在相對(duì)較低利用,利用形式多樣;(3)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟的溫度下就能使大量的揮發(fā)分物質(zhì)析出。幾種可貯存性好;(4)節(jié)能、環(huán)保效果好。常見生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析成分如表1所示:表1幾種生物質(zhì)的工業(yè)分析成分工業(yè)分析成分種類水分(%)揮發(fā)分(%)固定碳(%)灰分(%)低位熱值(MJ/kg)雜草54368.7716.49.4616.192豆秸5.106574.617.123.1316.146稻草4.9765.1116.0613.8613.970麥4.3967.3619.358.9015.363玉米秸4.8771.4517.755.9315.450玉米芯15.076.607.001.4014.395棉秸6.7868.5420.713.9715.99139區(qū)域供熱2010.3期為了提供反應(yīng)的熱力學(xué)條件,氣化過程的空氣發(fā)生反應(yīng),同時(shí)釋放大量的熱以支持需要供給空氣或氧氣,使原料發(fā)生部分燃燒。生物干燥、熱解和后續(xù)的還原反應(yīng),溫度可達(dá)盡可能將能量保留在反應(yīng)后得到的可燃?xì)獾?000~1200℃中,氣化后的產(chǎn)物含有H2、CO及低分子的(4)還原過程還原過程沒有氧氣存在,CHn等可燃性氣體。整個(gè)過程可分為:干燥、氧化層中的燃燒產(chǎn)物及水蒸氣與還原層中木熱解、氧化和還原。炭發(fā)生反應(yīng),生成氫氣和一氧化碳等。這些氣(1)干燥過程生物質(zhì)進(jìn)入氣化爐后,在體和揮發(fā)分組成了可燃?xì)怏w,完成了固體生熱量的作用下,析出表面水分。在200~300℃物質(zhì)向氣體燃料的轉(zhuǎn)化過程。時(shí)為主要干燥階段。1.2氣化工藝(2)熱解反應(yīng)當(dāng)溫度升高到300℃以上生物質(zhì)氣化有多種形式,如果按氣化介質(zhì)時(shí)開始進(jìn)行熱解反應(yīng)。在300~400℃時(shí),生物可以分為使用氣化介質(zhì)和不使用氣化兩種,前質(zhì)就可以釋放出70%左右的揮發(fā)組分,而煤者又可以細(xì)分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣要到800℃才能釋放出大約30%的揮發(fā)分熱氣化、氫氣氣化等,后者有熱分解氣化。不同氣解反應(yīng)析出揮發(fā)分主要包括水蒸氣、氫氣、化技術(shù)所得到的熱值不同,因而應(yīng)用領(lǐng)域也有氧化碳、甲烷、焦油及其他碳?xì)浠衔?。所不?。如表2所示為不同氣化工藝技術(shù)產(chǎn)(3)氧化反應(yīng)熱解的剩余木炭與引入生可燃性氣體的熱值及其主要的用途。表2不同氣化工藝技術(shù)的用途氣化技術(shù)可燃?xì)怏w熱值(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))(kJ/m3)用途空氣氣化5440~7322鍋爐、干燥、動(dòng)力氧氣氣化10878~18200區(qū)域管網(wǎng)、合成燃料水蒸氣氣化10920~18900區(qū)域管網(wǎng)、合成燃料氫氣氣化22260-26040工藝熱源、管網(wǎng)熱分解氣化10878-15000燃料與發(fā)電、制造汽油與酒精的原料1.3氣化設(shè)備上吸式固定床氣化爐氣化爐是生物質(zhì)氣化反應(yīng)的主要設(shè)備。按氣化爐的運(yùn)行方式不同,可以分為固定床、固定床氣化爐下吸式固定床氣化爐流化床和旋轉(zhuǎn)床三種類型4。國內(nèi)目前生物質(zhì)下吸式固定床氣化爐氣化過程所采用的氣化爐主要為固定床氣化生物質(zhì)氣化爐鼓泡床氣化爐爐和流化床氣化爐。固定床氣化爐和流化床氣化爐又有多種不同的形式,其各種類型如流化床氣化爐循環(huán)流化床氣化爐圖1所示。雙流化床氣化爐1.3.1固定床氣化爐35攜帶床氣化爐固定床氣化爐是一種傳統(tǒng)的氣化反應(yīng)圖1生物質(zhì)氣化爐的分類爐,其運(yùn)行溫度大約為1000℃。固定床氣化爐化。其主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)出氣在經(jīng)過裂解層和干可以分為上吸式、下吸式和橫吸式氣化爐。燥層時(shí),將其攜帶的熱量傳遞給物料,用于物上吸式氣化爐中,生物質(zhì)原料由爐頂加料的裂解和干燥,同時(shí)降低自身的溫度,使?fàn)t入,氣化劑由爐底部進(jìn)氣口加入,氣體流動(dòng)的子的熱效率提高,產(chǎn)出氣體含灰量少。方向與燃料運(yùn)動(dòng)的方向相反,向下流動(dòng)的生下吸式氣化爐中,生物質(zhì)由頂部的加料物質(zhì)原料被向上流動(dòng)的熱氣體烘干、裂解、氣口投入,氣化劑可以在頂部加入,也可以在喉40-區(qū)域供熱2010.3期部加入氣化劑與物料混合向下流動(dòng)該爐的解反應(yīng),第Ⅱ級(jí)反應(yīng)器中進(jìn)行氣化反應(yīng)。雙流優(yōu)點(diǎn)是,有效層高度幾乎不變、氣候強(qiáng)度高、化床氣化爐炭轉(zhuǎn)化率較高。工作穩(wěn)定性好、可以隨時(shí)加料,而且氣化氣體攜帶床氣化爐是流化床氣化爐的一種特中焦油含量較少但是燃?xì)庵谢覊m較多出爐例,其運(yùn)行溫度高達(dá)1100~1300℃,產(chǎn)出氣體溫度較高。中焦油成分和冷凝物含量很低,碳轉(zhuǎn)化率可橫吸式氣化爐中,生物質(zhì)原料由氣化爐以達(dá)到100%頂部加入,氣化劑從位于爐身一定高度處進(jìn)2生物質(zhì)氣化技術(shù)的應(yīng)用入爐內(nèi),灰分落入爐柵下部的灰室。燃?xì)獬仕?.1生物質(zhì)氣化供氣平流動(dòng),故稱作橫吸式氣化爐。該氣化爐的燃生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)是指氣化爐產(chǎn)出的燒區(qū)溫度可達(dá)到200℃超過灰熔點(diǎn)容易結(jié)生物質(zhì)燃?xì)?通過相應(yīng)的配套裝備,完成為居渣。因此該爐只適用于含焦油和灰分不大于民供應(yīng)燃?xì)獾募夹g(shù)。生物質(zhì)氣化供氣系統(tǒng)工5%的燃料,如無煙煤、焦炭和木炭等。藝流程如圖3所示。1.3.2流化床氣化爐流化床燃燒技術(shù)是一種先進(jìn)的燃燒技生物質(zhì)氣化組術(shù)。流化床氣化爐的溫度一般在750~800℃。原料氣化爐燃燒凈化器風(fēng)機(jī)水封器這種氣化爐適用于氣化水分含量大、熱值低、著火困難的生物質(zhì)物料,但是原料要求相當(dāng)燃?xì)夤芫W(wǎng)阻火器氣柜小的粒度,可大規(guī)模、高效的利用生物質(zhì)能。按照氣固流動(dòng)特性不同,流化床氣化爐分為圖3生物質(zhì)氣化供氣系統(tǒng)工藝流程圖鼓泡床氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐、雙流化床生物質(zhì)原料首先經(jīng)過處理達(dá)到氣化爐的氣化爐和攜帶床氣化爐。使用條件,然后由送料裝置送入氣化爐中,不鼓泡床中氣流速度相對(duì)較低,幾乎沒有固同類型的氣化爐需要配備不同的送料裝置。體顆粒從中逸出。循環(huán)流化床氣化爐中流化速所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w,在凈化器中除去灰塵和度相對(duì)較高,從床中帶出的顆粒通過旋風(fēng)分離焦油等雜質(zhì)。經(jīng)過凈化后的氣體經(jīng)過水封,由器收集后,重新送入爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)。鼓風(fēng)機(jī)送入儲(chǔ)氣罐中,水封相當(dāng)于一個(gè)單向雙流化床與循環(huán)流化床相似,如圖2所閥,只允許燃?xì)庀騼?chǔ)氣罐中流動(dòng)。儲(chǔ)氣罐出口示,不同的是第1級(jí)反應(yīng)器的流化介質(zhì)在第Ⅱ的阻火器是一個(gè)重要的安全設(shè)備。最后,燃?xì)饧?jí)反應(yīng)器中加熱。在第1級(jí)反應(yīng)器中進(jìn)行裂通過燃?xì)夤?yīng)網(wǎng)統(tǒng)一輸送給用戶。可燃?xì)鉄煔饽壳?生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)已經(jīng)在山東、遼寧、吉林、安徽等十幾個(gè)省市推廣開來,已經(jīng)成功氣化的生物質(zhì)包括玉米芯、玉米秸、棉柴和麥秸等。2.2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)氣化劑碳粒燃燒爐生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是目前研究與應(yīng)用生物質(zhì)最多、裝備最為完善的技術(shù)。目前,生物質(zhì)氣砂子化發(fā)電有三種方式:高溫砂子(1)作為蒸汽鍋爐的燃料燃燒生產(chǎn)蒸汽氣化劑空氣帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。這種方式對(duì)氣體要求不圖2雙循環(huán)流化床示意圖是很嚴(yán)格,直接在鍋爐內(nèi)燃燒氣化氣。氣化氣41-區(qū)域供熱2010.3期經(jīng)過旋風(fēng)分離器除去雜質(zhì)和灰分后即可使望成為21世紀(jì)的新型發(fā)電技術(shù)。用。燃燒器在氣體成分和熱值有變化時(shí),能夠3生物質(zhì)氣化技術(shù)面臨的問題及展望保持穩(wěn)定的燃燒狀態(tài),排放污染物較少。生物質(zhì)能在我國是僅次于煤炭、石油和(2)在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。天然氣的第四種能源資源,在能源系統(tǒng)中占這種方式對(duì)氣體的壓力有要求,一般為10有重要地位。當(dāng)前,生物質(zhì)氣化技術(shù)在實(shí)際利30kg/cm2。該種技術(shù)存在灰塵、雜質(zhì)等污染問用過程中,還存在以下幾個(gè)主要問題題。(a)生物質(zhì)灰熔點(diǎn)低、堿金屬元素含量(3)在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這高,直接燃燒易結(jié)焦和產(chǎn)生高溫堿金屬元素種方式應(yīng)用廣泛,效率高。但是該種方法對(duì)氣腐蝕;體要求極為嚴(yán)格,氣化氣必須經(jīng)過凈化和冷(b)生物質(zhì)氣化時(shí),渣與飛灰的含碳量較卻處理。高,氣化效率低;大型的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)均采用燃?xì)?c)燃?xì)庵薪褂秃扛?容易導(dǎo)致產(chǎn)生含輪機(jī)發(fā)電機(jī),這是目前世界上最先進(jìn)的生物焦廢水以及影響設(shè)備的正常運(yùn)行;質(zhì)發(fā)電技術(shù)。該系統(tǒng)包括兩種發(fā)電技術(shù):整體(d)目前氣化發(fā)電機(jī)組的尾氣余熱回收氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)和整體氣化熱空氣循環(huán)效果不好,造成整個(gè)系統(tǒng)效率較低。(IGHAT)。所以,降低燃?xì)庵械娘w灰和焦油含量提由于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)發(fā)電后排放的尾氣溫高系統(tǒng)效率和可靠性是今后利用生物質(zhì)氣化度大于500℃,所以增加余熱鍋爐和過熱器產(chǎn)技術(shù)的主要研究方向。我國生物質(zhì)能資源十生蒸汽,再利用蒸汽循環(huán),可以有效提高發(fā)電分豐富,僅各類農(nóng)業(yè)廢棄物的資源每年即有效率,這就是生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán),其發(fā)3.08×108t標(biāo)準(zhǔn)煤,薪柴資源量為1.3×10t標(biāo)電工藝流程如圖4所示。準(zhǔn)煤。第15次世界能源大會(huì)將生物質(zhì)氣化技空氣Q高溫過濾器蒸汽輪機(jī)術(shù)確定為優(yōu)先開發(fā)的新能源技術(shù)之一目前,500℃原料裂娜爐我國已經(jīng)建立了500個(gè)以上的生物質(zhì)氣化應(yīng)用工程,連續(xù)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明,生物質(zhì)氣化技空氣術(shù)對(duì)處理大量的農(nóng)作物廢棄物、減輕環(huán)境污染、提高人民生活水平等多方面都發(fā)揮著積氣化爐分離器燃?xì)廨啓C(jī)極的作用。參考文獻(xiàn)圖4生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)工藝流程圖【1]吳正舜創(chuàng)之,鄭舜鵬4MW級(jí)生物質(zhì)氣化發(fā)電該系統(tǒng)由物料預(yù)處理設(shè)備、氣化設(shè)備、凈示范工程的設(shè)計(jì)研究[J]能源工程,2003,3:14-化設(shè)備、換熱設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等發(fā)17電設(shè)備組成。功率范圍在7~30MW,整體效率]Gahly Piskoretal The Hydro gasification of可以達(dá)到40%。 wood [J]. IndEngCheMres, 1988,27: 256-264.[3]李傳統(tǒng),新能源與可再生能源技術(shù)[M],東南大學(xué)整體氣化熱空氣循環(huán)(IGHAT)技術(shù)正處出版社,2005于開發(fā)階段,它和IGCC的主要區(qū)別在于用一[4]駱仲泱,張冀強(qiáng),姚向軍中國生物質(zhì)能利用技術(shù)個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)代替了后者的燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪評(píng)價(jià)[J],中國能源,2004,26(9):39-42機(jī)。由水蒸氣和燃?xì)獾幕旌瞎べ|(zhì)通過燃?xì)廨哰5]劉榮厚牛衛(wèi)生張大雷生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)機(jī)輸出有用功,其整體效率可以達(dá)到60%,有[M],化學(xué)工業(yè)出版社,200542