第26卷第6期可再生能源VoL 26 No 62008年12月Renewable Energy ResourcesDec.2008生物質(zhì)氣化的應(yīng)用與研究趙連臣,李曉偉,王貴路,李繼祥,張大雷(遼寧省能源研究所,遼寧營口115000摘要:生物質(zhì)能是一種重要的可再生能源,利用生物質(zhì)氣化技術(shù)能實現(xiàn)CO2的減排,節(jié)約常規(guī)能源符合可持續(xù)發(fā)展的要求。文章介紹了自1664年 Thomas shirly進行氣化試驗以來,歷經(jīng)幾百年的發(fā)展,牛物質(zhì)氣化T藝和相關(guān)氣化裝置已經(jīng)取得了巨大的進步;闡述了近幾十年來我國在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域的發(fā)展歷程和取得的研究成果;對生物質(zhì)的氣化機理、氣化裝置結(jié)構(gòu),生物質(zhì)氣化技術(shù)的推廣與應(yīng)用、開發(fā)前景與經(jīng)濟效益進行了探討關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化技術(shù);氣化機理中圖分類號:S2162;TK6文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1671-5292(2008)06-0055-04The research and utilization on biomass gasificationZHAO Lian-chen, LI Xiao-wei, WANG Gui lu, LI Ji-xiang, ZHANG Da-lei(Liaoning institute of Energy Resources, Yingkou 115000, Cnina)Abstract: The biomass is a sort of renewable energies which could be used with gasification tech-nology to realize reducing of carbon dioxin emission and saving of the traditional energy resourcesfor the purpose of sustainable development. In this paper, authors have reviewed and studied sincethe early gasifying tests carried out by Themas Shirly in 1664 and a great progress had been ob-tained so far in the biomass gasification in the fields of the gasification mechanism within hundredsyears. And inter alia our country has emphasized on the development of biomass gasification tech-nologies and a deal of achievements had been received as well within recent 30 years. In the paper,the chemical process, structure its optimization of gasification equipments, developmental futureand the economy well being have also been discussed on the basis of research achieves and devel-oping process.0前言年, Thomas shirley就進行過簡單的氣化試驗。生物質(zhì)能具有可再生、低污染、分布廣泛等特20年后, Dean Clayton進行了高溫氣化嘗試,用高點,開發(fā)利用可再生資源是我國能源可持續(xù)發(fā)展溫?zé)峤夥ㄖ瞥隽嗣簹狻?792年, Murdock應(yīng)用氣化的一個主要方向。以氣化方式實現(xiàn)低品位生物產(chǎn)物進行照明。此后的100多年里,人們在這一領(lǐng)質(zhì)能源的深層次利用,減少礦物燃料的供應(yīng)量和域內(nèi)不斷探索,做了大量的研究工作。1861年,直接燃用礦物燃料給環(huán)境帶來的嚴(yán)重污染,對提 Siemens式氣化爐正式投放市場,該產(chǎn)品的出現(xiàn),髙農(nóng)村生活水平、改善生態(tài)環(huán)境、保障國家能源安在氣化技術(shù)研究領(lǐng)域最具有突破意義。至此,氣化全等具有重要意義圍。技術(shù)作為一項能源轉(zhuǎn)換技術(shù),已被人們認(rèn)可和接1國內(nèi)外的研究歷史及現(xiàn)狀受,并走上了進一步發(fā)展的道路。生物質(zhì)氣化技術(shù)有著悠久的歷史,早在1664中國煤化工切,在歐洲及其收稿日期:200802-10CNMHG作者簡介:趙連臣(1968-),男高級工程師,主要從事CDM推廣工作。E- mail可算失能源2008,26(6)殖民地有數(shù)萬個小型氣化爐在運行(其中法國床和流化床氣化爐得到了不同程度的開發(fā)和應(yīng)用4500個,意大利2000個)。隨著石油冶煉、運輸2氣化原理與裝置技術(shù)的進步和前蘇聯(lián)、美國、中東石油大舉進入市21氣化原理場,石油價格不斷下降,石油被廣泛地應(yīng)用于生氣化的基本原理是被氣化物所含的固體碳,活、生產(chǎn)中,生物質(zhì)氣化技術(shù)因此在歐美等發(fā)達(dá)國在特定的條件下向一氧化碳轉(zhuǎn)化的熱化學(xué)過程。家基本失去了市場。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后,化石因此,生物質(zhì)氣化技術(shù)包含2個內(nèi)容,即熱化學(xué)過能源被大量地應(yīng)用于軍事,石油危機也因此而出程和保證熱化學(xué)過程順利進行所需條件的裝置?，F(xiàn),人們認(rèn)識到化石能源不可再生、分布不均的弱熱化學(xué)過程是相當(dāng)復(fù)雜的,下述化學(xué)反應(yīng)式可以點會制約國家的安全和發(fā)展,于是生物質(zhì)氣化技近似地描述該過程嗎術(shù)作為一種穩(wěn)定的、可靠的能源開發(fā)技術(shù)被重新C+O2+CO2+394k提上日程,并且發(fā)展迅速。20世紀(jì)70年代,美國C+CO2→2C0-172kJ日本、加拿大、歐盟等開始了生物質(zhì)熱裂解氣化技H2O+CO++CO2+H2-2.89kJ(3)術(shù)的研究與開發(fā),到20世紀(jì)80年代,美國已有H2O+C+CO+H2-175kJ(4)19家公司和研究機構(gòu)從事生物質(zhì)熱裂解氣化技C+2H,*CH++75 kJ術(shù)的研究與開發(fā),美國可再生能源實驗室和夏威在上述5個化學(xué)反應(yīng)式中,式(1)是至關(guān)重要夷大學(xué)還進行了生物質(zhì)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的,通過式(1)的氧化反應(yīng)所放出的熱量使?fàn)t內(nèi)的(BGC)的研究。荷蘭 twente大學(xué)進行了流化床溫度升高,保證其余反應(yīng)能夠順利進行。試驗表氣化器和焦油催化裂解裝置的研究,推出了無焦明,溫度是衡量氣化過程進行順利與否的一個重油氣化系統(tǒng),還開展了將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高氫燃?xì)?、要影響因素。要使氣化過程順利地進行,能量的供生物質(zhì)油等高品質(zhì)燃料的研究,并結(jié)合燃?xì)廨啓C、給是必不可少的,裝置內(nèi)反應(yīng)區(qū)的溫度對氣體中斯特林發(fā)動機、燃料電池等轉(zhuǎn)換方式將生物質(zhì)轉(zhuǎn)可燃成分的比例以及氣化強度有重要影響。隨著化為電能。在應(yīng)用方面,國外的生物質(zhì)氣化技術(shù)和反應(yīng)溫度的升高,氣化速率隨之加快,CO2含量減裝置大多實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)業(yè)經(jīng)營,美國的生物質(zhì)少,可燃成分增加。如將上述5個化學(xué)反應(yīng)式相能消耗量占其一次能源消耗量的4%,瑞典占加,則得:16%,奧地利占10%。在美國,生物質(zhì)發(fā)電的總裝4C+02+2H,0-C022C0+CH++121kJ(6)機容量已超過10000MW,單機容量達(dá)10-25MW式(6)表明,當(dāng)75%的C元素被氣化為可燃我國在生物質(zhì)氣化技術(shù)研究領(lǐng)域起步較晚,氣體后,余下的121k熱量已不足以驅(qū)動反應(yīng)式雖然在20世紀(jì)40年代就開發(fā)出用木炭氣化爐產(chǎn)(2),(4)的進行,而反應(yīng)式(3),(5)因為沒有CO,氣驅(qū)動汽車的技術(shù),但是由于種種原因生物質(zhì)氣H2也不能進行,因此氣化效率的最高值為75%左化技術(shù)未能取得進一步發(fā)展。直至20世紀(jì)80年右,余下的熱量主要消耗在空氣和原料的升溫過代,受能源緊張和環(huán)境問題的影響我國才重新開程中,氣體和灰分也帶出了大量的熱。始了生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究工作,并建立了一支22氣化裝置專門從事生物質(zhì)氣化技術(shù)研究的隊伍,其中中國完成氣化反應(yīng)的裝置稱作氣化爐。按床體的科學(xué)院廣州能源研究所、中國農(nóng)機院、山東省科學(xué)結(jié)構(gòu)可將氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化院能源研究所、中國林科院林產(chǎn)化工研究所、遼寧爐2種根據(jù)原料與氣化劑在爐內(nèi)的走向,可將固省能源研究所等單位在各自的研究領(lǐng)域中做出了定床氣化爐分為上吸式、下吸式橫吸式、開心式自己的貢獻。1981年,由江蘇省糧食局與紅巖機4種形式。表1為上吸式氣化爐爐內(nèi)的分區(qū)情況器廠聯(lián)合研制成功了我國第1臺160kW稻殼氣圖1是上吸式氣化爐的示意圖,按反應(yīng)溫度可將化發(fā)電裝置;1998年,第1臺功率為1MW的循氣化過程分為4個階段,4個氣化階段在爐體內(nèi)4環(huán)流化床氣化裝置與內(nèi)燃機發(fā)電機組配套的稻殼個不由王結(jié)均不同,各種氣化爐的氣化發(fā)電機組在福建莆田華港米業(yè)公司的碾米廠分區(qū)中國煤化工度均衡,其內(nèi)部成功運行。在這20多年里,多種較為成熟的固定分CNMHG趙連臣,等生物質(zhì)氣化的應(yīng)用與研究表1上吸式氣化爐氣化反應(yīng)分區(qū)情況可用于藥品、果品、茶葉、谷物的烘千。實踐表明,Table 1 Temperature distribution in updraft gasifier生物質(zhì)氣化氣用于干燥,具有火力強、升溫快的特反應(yīng)溫度/C反應(yīng)類型干燥區(qū)100-200物理過程濕生物質(zhì)+熱量→干生物質(zhì)+水氣點,與電或蒸汽等熱源相比,具有明顯的節(jié)支、節(jié)熱解區(qū)200-500干餾過程干生物質(zhì)+熱量→焦炭+CO2+CO+能效果。氣化爐還可與專用小型鍋爐匹配,為中小還原反應(yīng)H0+CH+C+CH+焦油+焦木酸企業(yè)供暖,經(jīng)濟實用;生物質(zhì)氣化氣也可用于農(nóng)村氧化區(qū)8001200氧氟化反應(yīng)C+0+HO→2CO)+HACO-熱量集中供氣,如遼寧省能源研究所研制的生物質(zhì)氣還原區(qū)500-800還原反應(yīng)COH+CCO,C+2H2+CH化集中供氣供暖系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,極大地改善了農(nóng)村地區(qū)的衛(wèi)生環(huán)境和居民的生活水平(2)氣化發(fā)電脫除水分生物質(zhì)氣化氣經(jīng)凈化后可用于發(fā)電。在我國,氣化發(fā)電技術(shù)已進人實用階段。須要強調(diào)的是,低熱值燃?xì)獍l(fā)動機的研制尚不能滿足實際需求,其1300t1009070500300原因主要是投資高,效益不明顯,因此使科研工作猛度T【K的深度和廣度一時難如人意。這項技術(shù)的進展將圖1上吸式氣化爐示意圖為電力缺乏或國家電網(wǎng)無法達(dá)到的地區(qū),提供一ig. l Schemetic of updraft gasifier個新的選擇。氣化爐爐型不同,其生產(chǎn)性能和產(chǎn)氣用途也開發(fā)前景與經(jīng)濟效益不盡相同。一般來說,直接燃燒對氣體質(zhì)量要求較利用生物質(zhì)能可以實現(xiàn)CO2的零排放,從根低,氣化發(fā)電對氣體質(zhì)量要求較高,特別是對氣體本上解決使用化石能源帶來的溫室效應(yīng)問題。開內(nèi)焦油含量要求較為嚴(yán)格(表2)。發(fā)利用生物質(zhì)能有利于改善生態(tài)環(huán)境,不會遺留表2不同構(gòu)造的氣化爐的主要性能指標(biāo)有害物質(zhì)或改變自然界的生態(tài)平衡,對人類的可Table2 The main characteristics of gasifiers of different structure持續(xù)發(fā)展具有重要意義,很多國家把生物質(zhì)能利氣化爐類型上吸式下吸式層式流化床用技術(shù)作為一項重要的能源技術(shù)來發(fā)展原料粒度/mm5原料含水率%<60我國農(nóng)村地區(qū)目前仍以生物質(zhì)能為主要能熱效率源,能源轉(zhuǎn)換技術(shù)落后,效率低下且污染環(huán)境,農(nóng)生產(chǎn)強度高很高民生活質(zhì)量難以提高,迫切要求改善燃料結(jié)構(gòu),提氣化焦油含量高低低少最少較高高能源利用效率。我國生物質(zhì)能資源極為豐富,每氣體用途直接燃燒燃燒、發(fā)電發(fā)電發(fā)電、供氣年秸稈產(chǎn)量約6億t,相當(dāng)于4億t標(biāo)準(zhǔn)煤。薪柴3生物質(zhì)氣化技術(shù)的推廣與應(yīng)用和林業(yè)廢棄物數(shù)量也很大,僅林業(yè)廢棄物(不包括我國農(nóng)林生物質(zhì)資源十分豐富,農(nóng)作物秸稈薪炭林)的產(chǎn)量就達(dá)3700萬ma,相當(dāng)于2000總產(chǎn)量約6億如a,除用于造紙、畜牧飼料、還田肥萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。如果考慮日益增多的城市垃圾、生活料、工業(yè)原料及炊事燃料外,可作為能源加以利用污水、禽畜糞便等其它生物質(zhì)資源,我國每年的生的秸稈總量約3億ta。此外,還有許多以生物物質(zhì)資源量達(dá)6億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上。由于這些廢棄質(zhì)為原料的各類生產(chǎn)企業(yè),在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大物品位低,分布面廣,往往被隨地堆放或燒毀,既量的生物質(zhì)廢棄物。生物質(zhì)廢棄物的有效利用,對浪費資源又危害環(huán)境。如應(yīng)用生物質(zhì)氣化技術(shù)將防止污染,回收資源,改善環(huán)境具有重要意義。生這些生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺荒茉醇右岳?對物質(zhì)氣化氣是一種低熱值可燃?xì)?主要有2個應(yīng)緩解能源緊張,改善生態(tài)環(huán)境將起到重要作用。因用領(lǐng)域。此,生物質(zhì)氣化技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景(1)直接用作燃料5存在的問題和對策生物質(zhì)氣化氣可用于木材干燥,氣化氣燃燒產(chǎn)5.1生的干熱氣體直接進入干燥窯烘干木材,無需換中國煤化工《化輔助系統(tǒng)的熱設(shè)備,比老式窯爐節(jié)能50%以上,與換熱器匹配投資CNMHG,從而使得氣可耳生能源200826(6)化氣的成本較高,與現(xiàn)有的煤氣相比優(yōu)勢不明顯應(yīng)器試驗研究化學(xué)程,2003(10):26-31要降低氣化氣的生產(chǎn)成本,一是盡可能提高氣化2)麗珍,閔慶文成升魁中國農(nóng)村生活能源利用與生氣的熱值,二是擴大氣化氣的供氣規(guī)模。物質(zhì)能開發(fā)資源科學(xué),2005(1):8-135.2焦油問題「3鄧立新生物質(zhì)的潔凈轉(zhuǎn)化和綜合利川化學(xué)教育,焦油是影響氣化氣使用的最大障礙。氣化氣2004(2):10-12.中存在焦油,不但使氣化發(fā)電系統(tǒng)與供氣系統(tǒng)無[4 ALBRECHT KAUPP JOHN R.Goss small scale gasprmducer-engine systemsM]. Wiesbaden: V ieweg 1984法長期穩(wěn)定運行,還會引起二次污染。徹底解決焦[5] L P WHITE. K G PLASKETT. Biomass as fuel[M].Lon油問題的方法就是把焦油裂解為永久性氣體。目press. 1981前已有焦油熱裂解與催化裂解的試驗,但距實際6]wpAz. P CHARTIEH. Energy from biomass in Eu應(yīng)用仍有一段距離。rope[ M).london: Great Britain Press, 19805.3二次污染問題7 W RAMSAY SMITH. Energy from forest biomass[MI生物質(zhì)氣化發(fā)電在經(jīng)濟上有較大優(yōu)勢,但灰New York: Academic press, 1982.及廢水污染問題仍沒有徹底解決,成為推廣氣化181CJ, BEYEA. Bioenergy in the United States發(fā)電技術(shù)的主要障礙。灰污染問題的處理辦法比progress and possibilities pJ Biomass and Bioenergy2000.18:44|-445較簡單,只要提高氣化效率,并對灰進行煅燒處阱張百良農(nóng)村能源[程學(xué)北京:中國農(nóng)業(yè)出版社理,即可消除灰污染。水洗除焦產(chǎn)生的廢水則比較難處理,根本方法就是減少焦油的產(chǎn)生。0馬降龍生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應(yīng)M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003參考文獻:「!l中農(nóng)機學(xué)會科技交流中心農(nóng)作物秸稈利川技術(shù)與「1米鐵,張春林,劉武標(biāo),等流化床作為生物質(zhì)氣化反設(shè)備M]北京:農(nóng)業(yè)出版社,199上接第54頁[121 FREDA R H INES H, GODFREY K, et al. 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Biological hydrogen production in a t沼氣池翅過500萬口。UASB reactor with granules E: physicochemical charac-istics of hydrogen-produr ing granules(JI Biotechnol實踐證明,發(fā)展農(nóng)村沼氣工程,既能有效解決農(nóng)民ogy and Bioengineering 2006, 94(5): 980-987生活能源問題,又能獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所的有機肥料,改[10J REN N, WANG B, MA F. Hydrogen big-prmduction of善農(nóng)村人居環(huán)境,具有良好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社rbohy drate fermentation by anaerobic activated sludge;會效益農(nóng)村使用沼氣效果突出,受到廣大農(nóng)民的普遍process[A]. Water environment6 th annual confer..!歡迎。下一步各級農(nóng)業(yè)部門將迅速行動,采取措施,加ence(. Miami Beach: Water environment federal,?快農(nóng)村沼氣工程建設(shè)進度阿時,加快推進農(nóng)村沼氣服1995.145-153務(wù)體系建設(shè),以扶持建設(shè)鄉(xiāng)村服務(wù)網(wǎng)點為重點,構(gòu)建包[II APHA. Standard methods for the examination of eater +45站和服條點頭主要內(nèi)容的較為完and waste water MI. W asington DC: Amerie an Pu blic中國煤化工能力覆蓋70%以Health Association, 1995CNMH(兩自新華網(wǎng)58