生物质气化技术原理及应用分析

郑昀1，邵岩2，李斌2

(1.福建省电力勘测设计院，福建福州350003；2.济南锅炉集团有限公司，山东济南250023)

　　摘要：介绍了生物质气化技术的原理，生物质气化工艺及气化设备。目前应用较多的气化技术是生物质气化供气和生物质气化发电技术。提出了应用过程中存在的问题，提高效率、降低焦油含量等是今后利用生物质气化技术的发展方向。

　　1前言

　　生物质能是一种理想的可再生能源。由于分布广泛、有利于环保等特点，越来越受到世界各国的关注。生物质气化技术是利用生物质能的一种方式，生物质能是指由光合作用而产生的各种有机体，光合作用利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气。生物质通常包括农业废弃物、木材及森林工业废弃物、禽畜粪便、城镇生活垃圾以及能源作物等几种类型。生物质能具有以下特点：属于可再生能源，可保证能源的永续利用；种类多而分布广，便于就地利用，利用形式多样；相关技术已经成熟，可贮存性好；节能、环保效果好。

　　2生物质气化技术

　　2.1生物质气化技术的原理

　　生物质气化是利用空气中的氧气或含氧物做气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的可燃部分转化为可燃气(主要是氢气、一氧化碳和甲烷)的热化学反应。20世纪70年代，Ghaly首次提出了将气化技术应用于生物质这种含能密度低的燃料。生物质的挥发份含量一般在76～86%，生物质受热后在相对较低的温度下就能使大量的挥发份物质析出。几种常见生物质燃料的工业分析成分见表1。

　　为了提供反应的热力学条件，气化过程需要供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧，尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气中，气化后的产物含有H2、CO及低分子的CmHn等可燃性气体。整个过程可分为：干燥、热解、氧化和还原。

　　2.1.1干燥过程

　　生物质进入气化炉后，在热量的作用下，析出表面水分。在200～300℃时为主要干燥阶段。

　　2.1.2热解反应

　　当温度升高到300℃以上时开始进行热解反应。在300～400℃时，生物质就可以释放出70%左右的挥发组份，而煤要到800℃才能释放出大约30%的挥发份。热解反应析出挥发份主要包括水蒸气、氢气、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氢化合物。

　　2.1.3氧化反应

　　热解的剩余木炭与引入的空气发生反应，同时释放大量的热以支持生物干燥、热解和后续的还原反应，温度可达到1000～1200℃。

　　2.1.4还原过程

　　还原过程没有氧气存在，氧化层中的燃烧产物及水蒸汽与还原层中木炭发生反应，生成氢气和一氧化碳等。这些气体和挥发份组成了可燃气体，完成了固体生物质向气体燃料的转化过程。

　　2.2气化工艺

　　生物质气化有多种形式，如果按气化介质可以分为使用气化介质和不使用气化介质两种，前者又可以细分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化等，后者有热分解气化。不同气化技术所得到的热值不同，因而应用领域也有所不同。不同气化工艺技术产生可燃性气体的热值及其主要的用途，见表2。

　　2.3气化设备

　　气化炉是生物质气化反应的主要设备。按气化炉的运行方式不同，可以分为固定床、流化床和旋转床三种类型。国内目前生物质气化过程所采用的气化炉主要为固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉和流化床气化炉又有多种不同的形式，其各种类型见图1。

　　2.3.1固定床气化炉

　　固定床气化炉是一种传统的气化反应炉，其运行温度大约为1000℃。固定床气化炉可以分为上吸式、下吸式和横吸式气化炉。

　　在上吸式气化炉中，生物质原料由炉顶加入，气化剂由炉底部进气口加入，气体流动的方向与燃料运动的方向相反，向下流动的生物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解、气化。其主要优点是产出气在经过裂解层和干燥层时，将其携带的热量传递给物料，用于物料的裂解和干燥，同时降低自身的温度，使炉子的热效率提高，产出气体含灰量少。

　　在下吸式气化炉中，生物质由顶部的加料口投入，气化剂可以在顶部加入，也可以在喉部加入。气化剂与物料混合向下流动。该炉的优点是，有效层高度几乎不变、气候强度高、工作稳定性好、可以随时加料，而且气化气体中焦油含量较少。但是燃气中灰尘较多，出炉温度较高。

　　在横吸式气化炉中，生物质原料由气化炉顶部加入，气化剂从位于炉身一定高度处进入炉内，灰分落入炉栅下部的灰室。燃气呈水平流动，故称作横吸式气化炉。该气化炉的燃烧区温度可达到2000℃，超过灰熔点，容易结渣。因此该炉只适用于含焦油和灰分不大于5%的燃料，如无烟煤、焦炭和木炭等。

　　2.3.2流化床气化炉

　　流化床燃烧技术是一种先进的燃烧技术。流化床气化炉的温度一般在750～800℃。这种气化炉适用于气化水分含量大、热值低、着火困难的生物质物料，但是原料要求相当小的粒度，可大规模、高效的利用生物质能。按照气固流动特性不同，流化床气化炉分为鼓泡床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床气化炉和携带床气化炉。

　　鼓泡床中气流速度相对较低，几乎没有固体颗粒从中逸出。循环流化床气化炉中流化速度相对较高，从床中带出的颗粒通过旋风分离器收集后，重新送入炉内进行气化反应。

　　双流化床与循环流化床相似，见图2，不同的是第I级反应器的流化介质在第II级反应器中加热。在第I级反应器中进行裂解反应，第II级反应器中进行气化反应。双流化床气化炉碳转化率较高。

　　携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例，其运行温度高达1100～1300℃，产出气体中焦油成分和冷凝物含量很低，碳转化率可以达到100%。

　　3生物质气化技术的应用

　　3.1生物质气化供气

　　生物质气化供气技术是指气化炉产出的生物质燃气，通过相应的配套装备，完成为居民供应燃气的技术。生物质气化供气系统工艺流程见图3。

　　生物质原料首先经过处理达到气化炉的使用条件，然后由送料装置送入气化炉中，不同类型的气化炉需要配备不同的送料装置。所产生的可燃气体，在净化器中除去灰尘和焦油等杂质。经过净化后的气体经过水封，由鼓风机送入储气罐中，水封相当于一个单向阀，只允许燃气向储气罐中流动。储气罐出口的阻火器是一个重要的安全设备。最后，燃气通过燃气供应网统一输送给用户。

　　目前，生物质气化供气技术已经在山东、辽宁、吉林、安徽等十几个省市推广开来，已经成功气化的生物质包括玉米芯、玉米秸、棉柴和麦秸等。

　　3.2生物质气化发电技术

　　生物质气化发电技术是目前研究与应用最多、装备最为完善的技术。目前，生物质气化发电有三种方式：

　　a.作为蒸汽锅炉的燃料燃烧生产蒸汽带动蒸汽轮机发电。这种方式对气体要求不是很严格，直接在锅炉内燃烧气化气。气化气经过旋风分离器除去杂质和灰分后即可使用。燃烧器在气体成分和热值有变化时，能够保持稳定的燃烧状态，排放污染物较少。

　　b.在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。这种方式对气体的压力有要求，一般为10～30kg/cm2。该种技术存在灰尘、杂质等污染问题。

　　c.在内燃机内燃烧带动发电机发电。这种方式应用广泛，效率高。但是该种方法对气体要求极为严格，气化气必须经过净化和冷却处理。

　　大型的生物质气化发电系统均采用燃气轮机发电机，这是目前世界上最先进的生物质发电技术。该系统包括两种发电技术：整体气化联合循环(IGCC)和整体气化热空气循环(IGHAT)。

　　由于燃气轮机系统发电后排放的尾气温度大于500℃，所以增加余热锅炉和过热器产生蒸汽，再利用蒸汽循环，可以有效提高发电效率，这就是生物质整体气化联合循环，其发电工艺流程见图4。

　　该系统由物料预处理设备、气化设备、净化设备、换热设备、燃气轮机、蒸汽轮机等发电设备组成。功率范围在7～30MW，整体效率可以达到40%。

　　整体气化热空气循环(IGHAT)技术正处于开发阶段，它和IGCC的主要区别在于用一个燃气轮机代替了后者的燃气轮机和汽轮机。由水蒸气和燃气的混合工质通过燃气轮机输出有用功，其整体效率可以达到60%，有望成为21世纪的新型发电技术。

　　4面临的问题及展望

　　生物质能在我国是仅次于煤炭、石油和天然气的第四种能源资源，在能源系统中占有重要地位。当前，生物质气化技术在实际利用过程中，还存在以下几个主要问题：

　　a.生物质灰熔点低、碱金属元素含量高，直接燃烧易结焦和产生高温碱金属元素腐蚀；

　　b.生物质气化时，渣与飞灰的含碳量较高，气化效率低；

　　c.燃气中焦油含量高，容易导致产生含焦废水以及影响设备的正常运行；

　　d.目前气化发电机组的尾气余热回收效果不好，造成整个系统效率较低。

　　所以，降低燃气中的飞灰和焦油含量、提高系统效率和可靠性是今后利用生物质气化技术的主要研究方向。我国生物质能资源十分丰富，仅各类农业废弃物的资源每年相当于3.08×108t标准煤，薪柴资源量相当于1.3×108t标准煤。第15次世界能源大会将生物质气化技术确定为优先开发的新能源技术之一。目前，我国已经建立了500个以上的生物质气化应用工程，连续运行的经验表明，生物质气化技术对处理大量的农作物废弃物、减轻环境污染、提高人民生活水平等多方面都发挥着积极的作用。