Vol 40 No. 12化工新型材料第40卷第12期NEW CHEMICAL MATERIALS2012年12月生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進展武衛(wèi)榮崔淑貞高文超(濟寧學院化學與化工系,曲阜273155)摘要生物質(zhì)能是一種理想的可再生能源,由于其儲量大、低污染、熱值高等優(yōu)點,現(xiàn)已被廣泛開發(fā)利用。論述了生物質(zhì)氣化技術(shù)的基本原理,反應過程及影響氣化特性的因素,如溫度、氣化介質(zhì)、催化劑。并對當前國內(nèi)外生物質(zhì)氣化技術(shù)應用現(xiàn)狀進行概括,最后就生物質(zhì)氣化技術(shù)存在的問題提出幾點建議關(guān)鍵詞生物質(zhì)氣化,氣化介質(zhì),催化劑,碳轉(zhuǎn)化率Research progress of biomass gasification technologyWu Weirong Cui Shuzhen Gao Wenchao(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Jining University, Qufu 273155)Abstract Biomass energy is one kind of ideal regenerative energy resource. Due to itpossessed large storage, lowpollution and high calorific value, it has been widely developed. The basic principle of biomass gasification, the course of re-action and the influences of operating conditions on the applications of boomass gasification such as temperature, gasfier a-gent, catalyst were introduced. Meanwhile the application situation of biomass gasification technology was described. Finally, some advices about the existing problems were put forward.Key words biomass gasification, gasifying media, catalyst, carbon conversion能源關(guān)系到我國經(jīng)濟的快速增長和社會的可持續(xù)發(fā)的排放少,減輕環(huán)境污染;生物質(zhì)將炭和能量以CO2形式固展。為此探尋可再生的綠色無污染能源是當務(wù)之急。據(jù)聯(lián)定,CO2排放量等于C固定量故生物質(zhì)是一種CO2零排放的合國調(diào)查資料顯示,東南亞各國42%的能源消耗來自生物質(zhì),可再生資源,避免了溫室效應加劇3。非洲占58%。我國農(nóng)村主要的生活能源也是生物質(zhì)能2,其1.2生物質(zhì)氣化基本原理和氣化過程在地球上的儲量豐富,低污染,熱值高,具有可再生性。很多生物質(zhì)氣化原埋指在一定熱力學條件下,借助空氣、水蒸國家已經(jīng)建立起生物質(zhì)KGCC系統(tǒng)發(fā)電示范基地,利用費氣的作用,使生物質(zhì)高聚物發(fā)生熱解、氧化還原、重整反應,熱托合成工藝將合成氣轉(zhuǎn)變?yōu)榧状?、二甲醚等液體燃料)對解伴生的焦油進一步熱裂化或催化裂化為小分子碳氫化合我國而言,開發(fā)經(jīng)濟高效的生物質(zhì)能可有效緩解能源危機改物,獲得含CO、H2和CH4氣體善當前劣性環(huán)境,對建立資源節(jié)約型社會有重要意義,現(xiàn)已被生物質(zhì)氣化過程根據(jù)反應溫度和產(chǎn)物不同,可以分為4列入我國21世紀發(fā)展議程5。個階段:干燥階段、熱解階段、氧化還原階段和凈化階段。1生物質(zhì)氣化基本原理及反應過程干燥階段:脫除水分,物料化學組成幾乎不變熱解階段:生物質(zhì)初步裂解炭化,脫除揮發(fā)分(主要是碳1.1生物質(zhì)的定義及優(yōu)點氫氣體、氫氣、焦油、水蒸、一氧化碳、二氧化碳),得到固定碳生物質(zhì)指利用大氣,水,土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各和灰分。種有機體。美國能源部(DOF)把生物質(zhì)定義為:生物質(zhì)是來氧化還原階段:固定碳與O2共燃生成CO、CO2和H2O源于植物和動物的有機物質(zhì)。月前我們開發(fā)利用的主要是富放出大量熱為碳的深層氣化提供能量含纖維素和木質(zhì)素的生物質(zhì)凈化階段:產(chǎn)出氣夾帶少量水蒸汽焦油堿金屬及氨,須能源問題不僅關(guān)系到我國經(jīng)濟的快速增長和社會的可持經(jīng)冷卻器、除塵器、水噴淋塔將它們除去后,方可輸送到燃氣續(xù)發(fā)展,也關(guān)系到生物質(zhì)能指直接或間接地通過綠色植物的設(shè)備。光合作用,把太陽能轉(zhuǎn)化為化學能后固定和貯藏在生物體內(nèi)的能量。生物質(zhì)能得到世界各國的關(guān)注,因其有許多優(yōu)于2影響生物質(zhì)氣化工藝的因素傳統(tǒng)化石能源的特點:生物質(zhì)具有可再生性,原料具有多樣性氣化過程中有SHe影響產(chǎn)出氣的組成和熱解速率,和廣泛性資源開發(fā)潛力大;生物質(zhì)揮發(fā)分含量高、H/C和比如氣化介中國煤化工物粒徑、傳熱方法OC比高、空隙率大、孔徑大,有利于著火和燃燒,反應活性等,這里僅詳CNMHG化劑對氣化工藝更好;生物質(zhì)的硫、氮、灰分含量少,硫化物、氮氧化物和粉塵的影響?；痦椖?山東省綠色制造與節(jié)能減排科技發(fā)展計劃項目作者簡介:武衛(wèi)榮(1976年),女,碩士,講師,主要從事化工類專業(yè)的教學與科研第12期武衛(wèi)榮等:生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進展23·2.1反應溫度的影響李永玲等以秸稈熱解產(chǎn)生的焦油為研究對象在固定溫度是生物質(zhì)氣化過程中重要的工藝參數(shù)對產(chǎn)出氣的床焦油催化裂化反應器上,分別以高鋁磚、白云石、石灰石為種類及組成分布熱解速率及反應的熱量變化有很大影響。催化劑研究催化劑種類及尺寸對焦油催化裂化的影響實驗隨溫度升高,氣體產(chǎn)率增加,反應速率增大,而對產(chǎn)品氣組成結(jié)果表明催化劑的使用提高了焦油的轉(zhuǎn)化率。在低于80℃影響則隨實驗條件的不同而不同的區(qū)間石灰石催化效率最好,大于800℃的高溫區(qū),白云石的烏曉江等利用沉降式加壓氣化爐研究各參數(shù)對氣化特催化效果超過石灰石。自云石和石灰石共催化下合成氣體積性的影響時發(fā)現(xiàn)高溫利于氣化反應向吸熱方向進行,在分數(shù)更大,高鋁磚的催化效果對合成氣量的貢獻隨反應溫度1600℃01700碳轉(zhuǎn)化率高達90%冷煤氣達50%左右合升高而增大。催化劑對焦油裂解起重要作用,催化劑的使用成氣產(chǎn)量隨OC比的增加,呈現(xiàn)先增后減的變化. Song Tao減少了焦油產(chǎn)出,凈化了氣化設(shè)備,提升了產(chǎn)品氣質(zhì)量,催化等研究串行流化床制氫的實驗中得出高溫利于合成氣生產(chǎn)裂解焦油理應是解決焦油問題的優(yōu)良方法。和焦油分解溫度由720℃升至920℃過程中,CO含量顯著增生物質(zhì)氣化技術(shù)的應用加,820℃時H2產(chǎn)率和碳氣化率有最大值。溫度升高,H2和CO的產(chǎn)率曲線都呈上升趨勢。3.1生物質(zhì)制氫技術(shù)及甲烷合成22氣化介質(zhì)的影響生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)換制氫指將生物質(zhì)通過熱化學反應轉(zhuǎn)化目前生物質(zhì)氣化技術(shù)中采用的氣化介質(zhì)有空氣氣化、富為富氫氣體。氫氣來源于生物質(zhì)原料的熱解氣化以及焦油等氧氣化、二氧化碳氣化、空氣水蒸氣氣化和水蒸氣氣化。純水烴類物質(zhì)的熱裂解蒸氣作為氣化介質(zhì),對反應容器壓強有更高要求,而且后期的李克忠等研究煤和生物質(zhì)共氣化制取富氫燃氣后發(fā)維護慘理困難,花銷大。空氣氣化介質(zhì)操作及維護都較方便,現(xiàn)對煤和稻草混合體系Fs/Fe質(zhì)量比(F/Fc=水蒸氣的質(zhì)較為常用但是空氣中富含大量的N2,降低了氧濃度,使得產(chǎn)量流率(kg/h)/碳的加料速率(kg/h)增加利于CO2和出氣品質(zhì)降低CH4生成,但降低了CO和H2含量。生物質(zhì)比增加,氣化炭在空氣水蒸氣中氣化可獲得高熱值的合成氣,運行生產(chǎn)比例降低煤氣中的CO2、H2和CH1增加,CO含量減少空氣成本低。蘇德仁等報道了水蒸氣量、生物質(zhì)量對氣化特性當量比增加,不利于合成氣的生成氣體產(chǎn)率呈先增后減的變的影響。結(jié)果表明:溫度升高增加水蒸氣量可明顯提高氣化化;對于3種不同的煤與生物質(zhì)混合體系,煤與高粱稈共氣化效率,碳轉(zhuǎn)化率高達91%以上。選擇富氧氣體(或含水蒸氣所得煤氣中H2含量最高,實驗中H2在煤氣中的體積分數(shù)最避免了N2對氧的稀釋降低了熱解平衡溫度,加快氣化反應高可達37.25%,最大產(chǎn)率為0.54m3/kg。提高了碳轉(zhuǎn)化率和合成氣產(chǎn)率,優(yōu)化了產(chǎn)品組成。江程程Li Rongping等9研究了廚余廢物及牲畜糞便發(fā)酵消化等采用平板式固定床反應器研究N2,水蒸氣和CO氣氛生產(chǎn)甲烷的實驗,結(jié)果表明Kw( kitchen wastes)和Cw(cae中裂解氣組成及其特性時發(fā)現(xiàn)在3種介質(zhì)中H2、CH、CO體 manure)共同消化中的協(xié)同作用,酸堿環(huán)境及纖維結(jié)構(gòu)對甲烷積分數(shù)均隨溫度升高而增大。相對于N2和CO2,生物質(zhì)在水產(chǎn)率有不同程度的影響。向KW中混入NaOH、向CW中混蒸氣氛圍中氣化效果更好氣體產(chǎn)率、氣體熱值、碳轉(zhuǎn)化率有硫酸強化了發(fā)酵消化進程,KW和CW聯(lián)合消化作用使甲烷產(chǎn)率提高了44%,向KW中加入NaOH使得甲烷產(chǎn)率增加2.3催化劑的影響了32%;同樣,用酸處理的CW比未處理的CW消化發(fā)酵后放生物質(zhì)熱解氣化過程中產(chǎn)生大量焦油,在高溫氣化階段出更多甲烷CW中纖維結(jié)構(gòu)的改變利于甲烷的生成盡管有部分焦油二次裂解,但一段時間后焦油還是會積累在32生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)管壁上形成厚厚的油層,堵塞管道影響氣體的輸送,加速設(shè)備世界上比較典型的生物質(zhì)氣化發(fā)電模式有IGCC(整體氣老化,對于熱解氣化過程以及相關(guān)的設(shè)備都有不利的影響因化聯(lián)合循環(huán))發(fā)電系統(tǒng)和Batl生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)。王紅此使用催化劑加快對焦油的催化裂解解決設(shè)備清潔安全問梅等從反應動力學角度出發(fā)假定過程恒溫,在 RAKESH題,保證正常的熱解氣化過程是很有必要的。劉海波等研 GOVIND煤氣化模型基礎(chǔ)上建立了完整動力學模型確立控究了含不同金屬助劑的N基催化劑Ni/PG對焦油去除率和制器相應參數(shù)的調(diào)節(jié)方向確定最佳的氣化參數(shù)設(shè)定值,獲得氫氣收率的影響。實驗結(jié)果表明,含鐵助劑的6%Ni/PG催化高熱值、高品質(zhì)的燃氣用于發(fā)電。實驗結(jié)論反映出溫度在整劑對焦油裂解最有利,氫氣收率最高;鐵含量增加有利于催化個氣化過程中對產(chǎn)出氣組成的影響. Cormas C cl2也報道了劑活性的提高,到鐵助劑含量為8%時,焦油裂解轉(zhuǎn)化率由生物質(zhì)和煤聯(lián)合氣化并結(jié)合CS( carbon capture and storage)64.4%升高到99%,而且氣體產(chǎn)物產(chǎn)率也增大但鎳金屬價格方法制取氫氣,利用IGCC發(fā)電系統(tǒng)將氫能轉(zhuǎn)化為電力昂貴,成本高。IGCC和CCS的綜合系統(tǒng)在碳的重新捕獲及再利用中起顯著Wang Tiejun等研究鼓泡流化床氣化系統(tǒng)中B104鐵作用,這種坦立了MCC至統(tǒng)能源利用率,大大鎂基氧化物催化劑和 NiO-MgO催化劑的高活性催化作用對降低了CO中國煤化工重整反應的影響后得出:750℃時出口氣體中H2和O摩爾CNMHG體積分數(shù)均明顯增加,CH4、CO2、C2摩爾分數(shù)降低,此時催化結(jié)語劑活性最高CH4轉(zhuǎn)化率達91%CO2轉(zhuǎn)化率為93%,可得到目前世界很多國家在生物質(zhì)能利用方面已取得了顯著成較理想的合成氣。就建立了規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)系統(tǒng),特別是在發(fā)電、傳熱及燃氣合化工新型材料第40卷成方面。我國也已掌握了生物質(zhì)能開發(fā)利用的技術(shù),對生物[9]趙廷林王鵬,鄧大軍,等.生物質(zhì)熱解研究現(xiàn)狀與展望[].新質(zhì)熱解氣化機理了解深人。但是生物質(zhì)能在我國沒有得到應能源產(chǎn)業(yè),2007,(5):54-60有的重視程度,生物質(zhì)能利用技術(shù)沒有得到推廣,建議如下:[10]烏曉江,張忠孝,樸桂林,等.高溫加壓氣流床內(nèi)生物質(zhì)氣化特①國家應加大生物質(zhì)能開發(fā)的資金投入,引進先進設(shè)備性的實驗研究[].動力工程,2007,27(4):630634彌補現(xiàn)有設(shè)備的不足[11] Song Tao, Wu Jiahua, Shen Laihong, et al. [J]. 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