生物質(zhì)氣化過(guò)程中焦油的生成

最緣述《工業(yè)加熱》第39卷2010年第6期DOI: 10.3969/j. isn. 1002-1639.2010.06.001生物質(zhì)氣化過(guò)程中焦油的生成張睿智，羅永浩，劉春元，殷仁豪，曹陽(yáng)(上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海200240)摘要:總結了生物質(zhì)氣化過(guò)程中焦油的生成和分類(lèi)，以及氣化爐爐型、溫度與氧量對焦油生成量和組成的影響規律。初級、二級和三級焦油是應用最為廣泛的-一種分類(lèi)方法;不同爐型氣化爐產(chǎn)氣中焦油質(zhì)量濃度從大到小依次為:上吸式>流化床>下吸式，分別在100, 10, 1 g/m’的最級，兩段式等改進(jìn)爐型在焦油控制上更有優(yōu)勢;上吸式氣化爐焦油多為初級組分，下吸式則以無(wú)取代基的多環(huán)芳香烴等三級焦油為主，而流化床的焦油涵蓋了二、三級焦油組分:溫度的升高使得焦油量下降，且趨向于轉化為化學(xué)結構更穩定的三級組分;氧最的增多對焦油的生成具有抑制作用。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化;焦油;爐型;運行條件中圖分類(lèi)號: X78文獻標志碼: A文章編號: 10263906-0001-05Production of Tar during the Process of Biomass GasifcationZHANG Rui-zhi, LUO Yong-hao, LIU Chun-yuan, YIN Ren-hao, CAO yang(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong Universily, Shanghai 200240, China)Abstract: In present work,results of investigations on production and cassification of tar during biomass gasifcation process were summarized.The quantity and composition of tar produced by difrent types of gasifier were compared, and the efects of temperature and oxygen weregained as well. The cassification of tar as primary, secondary and tertiary components is widely accepted and applied. For diferent types ofgasifier; the quantity of tar produced varies: updraft (a level of 100 g/m) > fuid bed (a level of 10 g/m) > downdraft (a level of I g/m) And improved types, like two stage gasifier, have advantage in tar control. Primary tars are found to be the main part in updraft gasifiers,while in a downdraft gasifier it is tertiany components like non-substituent PAHs. As for fluid bed gasifiers, the syngas contains both the sec-ondary and tertiary components. With the rise of temperature, tar decreases and tends to convert to teriary components with more stablechemical structure. Oxygen is found to have inhibiting ffect on tar formation.Key words: biomass; gasification; tar; gasifier type; operation variables化石能源緊缺與環(huán)境污染嚴重已經(jīng)成為全球發(fā)展的至再燃),成為了一種經(jīng)濟的選擇。巨大阻礙。生物質(zhì)能以其可再生和二氧化碳排放低等特需要指出的是，焦油組分繁多，各條件下生成的點(diǎn)，成為了- -種理想的替代能源。而氣化技術(shù)作為生物焦油亦有很大的區別。且研究者對焦油的度量規范也質(zhì)主要的利用方式之一，正受到廣泛關(guān)注。不盡相同，使得對比、歸納以形成被廣泛接受的焦油焦油是氣化過(guò)程中不可避免的產(chǎn)物"),是一種復雜的生成規律非常困難，嚴重阻礙了焦油利用相關(guān)研究的可凝結烴類(lèi)物質(zhì)的混合物。焦油遇冷凝結，造成生物質(zhì)開(kāi)展。氣化氣輸送管道的堵塞;在內燃機、燃氣輪機等設備中本文總結了諸多學(xué)者在氣化焦油領(lǐng)域的工作，旨在燃燒時(shí)，易形成焦油煙霧、聚合成更復雜的物質(zhì)，對動(dòng)歸納氣化爐型、運行工況等因索對焦油量及其組成的影力設備造成腐蝕、磨蝕等損害2。氣化氣中可凝結組分需響規律，為焦油利用方面的研究提供參考。要<8 mg/m'以保障鍋爐、窯爐及燃氣輪機等設備的正常1焦油的分類(lèi)運行34。另-方面，諸多學(xué)者對焦油的研究表明，焦油中含焦油是一種非常復雜的有機混合物，小至分子量78有相當叮觀(guān)的能量4,單純的脫除使得系統效率低下，將的苯，大至分子量上萬(wàn)的組分，使得研究工作難以開(kāi)展，焦油在氣化爐內或后置設備中轉化成為C, C:等小分子因此對其進(jìn)行合理的分類(lèi)十分必要。烴類(lèi)及CO等輕質(zhì)氣體，并用于燃料制備、直接燃燒甚Hasler P.等0'根據不同的化學(xué)結構對氣化氣中的有機物進(jìn)行了分類(lèi)，如表1所示。收稿日期: 2010-08-09; 修回日期: 2010-10-12EvansR. J.等1711313利用 分子束質(zhì)譜研究了焦油的基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2008AA052312)生成及轉化過(guò)程，按焦油生成的不同階段將其分為初級、作者簡(jiǎn)介:張春鉀(1985- -),男，上海人，博上研究生，主要從事二級和三級焦油，如表2所示。生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)和利用方面的研究資綜述《工業(yè)加熱》第39卷2010年第6期表1 HaslerP. 等的分類(lèi)1000類(lèi)別特征重焦油高佛點(diǎn)高分子有機組分，通常用稱(chēng)重法測定.多環(huán)芳香烴擁有兩個(gè)芳香環(huán)以 上的有機組分，美國EPA給出了一B 10"HT]個(gè)16種組分的PAH列表。酚類(lèi)含有羥基(OH) 的芳香族(如苯酚、 甲酚).輕焦油含有中等揮發(fā)性的烴類(lèi)，沸點(diǎn)80~ 200C (如BTX,0.1 I苯、甲苯和二甲苯)，并不包含酚類(lèi).輕烴非芳香族烴類(lèi)，最高至Cs,常溫下為氣態(tài)(如甲燒和乙媚).0.01bec F inopqabed吸式下吸式”流化床oP9氧化物含氧的非芳香族有組分(如乙酸、甲酶).注:字母a~ q代表不同研究中獲得的實(shí)驗數據:注:灰色底紋部分不列入焦油范晦。a-KristensenO，文獻[91;:表2 EvansR. J等的焦油分類(lèi)b- -SaloK.文獻[10]; .。StahilbegP. 木料，文獻110400d- SahlbergP. 城市垃圾， 文獻1114040切級焦油典型的快速熱解焦油，包括了絕大部分纖維素中聚合e -tahlbengP. 稻草，文獻11]1400物的碎片和單體，請如左旋葡聚糖、乙醇醛及糖醛，f-KurkelaE.文獻[12]; !半纖維索衍生產(chǎn)物以及木質(zhì)素轉化成的甲氧基苯酚類(lèi)g- StassenH. E.文獻[13];組分，大多為含氧組分。h--ReedT. B.,文獻[14];i-epalahiJ,文獻[IS];二級焦油初級焦油裂解過(guò)程中的中間產(chǎn)物，隨著(zhù)裂解過(guò)程的進(jìn)j- BuhlerR., 文獻[16];行增多面后降低最終轉化為三級焦油，主要為酚類(lèi)和k- -BrownM. D..文獻[17;孀烴類(lèi)組分。1- -BuiT, 文獻181)=1三級焦油芳香烴甲基街生物:m- -BeenackersA. A. C. M,文獻09324;甲基危、甲基恭、甲苯及茚等;n-WallinM,文獻(21}3413%;無(wú)取代基的多環(huán)芳香烴:o TurmS. Q，文獻(21];苯、蔡、苊、蔥/菲、芘等。p -RabouL. P. L. M,文獻106106:q-HanJ，文獻(22].HaslerP.等的分類(lèi)方法較重視組分分子量和結構上的差異，相比之下EvansR. J.等的焦油分類(lèi)與實(shí)際生物圖1三種爐型氣化爐產(chǎn)氣中焦油 質(zhì)量濃度的分布范圍質(zhì)氣化過(guò)程中不同階段的焦油生成聯(lián)系更為緊密，更具盡管不同運行條件以及不同數據量化規則會(huì )影響到實(shí)際應用價(jià)值，在許多工作中被引用。數據的對比分析，但爐型對氣化焦油生成影響的總體規需要指出的是，Evans R. J.的分類(lèi)中二級、三級焦律可歸納為:上吸式> 流化床>下吸式。并且可以粗略地油的區別有時(shí)并不明顯，存在重疊的范圍。針對該問(wèn)題，認為各爐型氣化爐產(chǎn)氣中的焦油質(zhì)量濃度分別為上吸式ECN建議使用環(huán)數的分類(lèi)方法，以避免引起歧義1816197。100 g/m',流化床10 g/m2和下吸式1 g/m2。同時(shí)，筆者認為初級、二級和三級的分類(lèi)僅僅是焦上吸式氣化爐是所有爐型中焦油產(chǎn)量最多的。這是油分類(lèi)的第一一步工作， 考慮到每一類(lèi)焦油中仍有多種不因為生物質(zhì)氣化過(guò)程中，爐膛下層的氧化區、還原區釋同的類(lèi)型(如酚、醇、酸、醚、醛等)，不同的官能團使放的高溫氣體在上層的熱解區使物料分解生成了大量的其性質(zhì)亦各不相同，因此進(jìn)-步 細化的分類(lèi)對于焦油的熱解焦油，并隨著(zhù)氣化氣排出。深人研究具有重要的意義。下吸式氣化爐氣化過(guò)程中，氣化氣在離開(kāi)爐體前經(jīng)過(guò)一個(gè)高溫的氧化區，9.9% ~ 9.99%的焦油在燃燒過(guò)2爐型的影響程中被消耗4,因此產(chǎn)氣中僅有不到1 g/m’的焦油。目前應用較多的生物質(zhì)氣化爐按原理可分為三類(lèi):上而流化床氣化爐中，物料處于懸浮狀態(tài)，同時(shí)存在吸式、下吸式和流化床氣化爐，亦有研究者提出了兩段有類(lèi)似于上吸式中顆粒熱解生成焦油以及類(lèi)似于下吸式式氣化爐、氣流床氣化爐等改進(jìn)爐型。不同爐型內，焦中焦油被高溫消耗的過(guò)程，其焦油質(zhì)量濃度介于上吸式油的含量和組成存在明顯的差異。和下吸式之間。2.1爐型對焦油生成量的影響此外，BakerE. G.等在1 000 C運行的氣流床氣大量論文、報告報道了不同爐型氣化爐的焦油生成化爐上獲得了焦油質(zhì)量分數<1%的氣化氣，BuiT. 等18)402情況，圖I中給出了部分學(xué)者研究得到的三種爐型氣化的兩段式氣化爐焦油質(zhì)量濃度僅為92 mg/m'.改進(jìn)爐型爐產(chǎn)氣中焦油質(zhì)量濃度的變化范圍。體現出了在焦油控制方面的優(yōu)勢，但是需要注意選擇恰述《工業(yè)加熱》第39卷2010年第6期當的運行工況(溫度等)。木料。2.2 爐型對焦油組分的影響25除了量的區別外，不同爐型氣化爐生成的焦油在組分上由于其氣化過(guò)程的不同亦有很大差異。K20Evans R. J. 等171318指 出上吸式氣化爐焦油呈現初級焦油的特性，下吸式焦油則呈現三級焦油的特性。CRE小組集中分析了多個(gè)不同類(lèi)型氣化爐的焦油生成情況[23)，包括英國的一-個(gè)上吸式氣化爐和-一個(gè)下吸式氣化爐，Lund 的一個(gè)流化床氣化爐。指出上吸式氣化爐州生成的焦油多為強極性組分，主要由苯酚和含甲氧基的組分組成，還包括低環(huán)數的多環(huán)芳香烴;下吸式氣化爐200 300 400 500 600 700 800 900 1001100 :焦油與上吸式的區別主要體現在分子量> 150的組分較多溫度/C并且存在分子量> 200的多環(huán)芳香烴; Lund 流化床氣化圖2溫度對焦油生成率的影響33爐所測得的焦油大多為母體多環(huán)芳香烴，同時(shí)包含一部分含氧的組分。同時(shí)，研究者還給出了不同溫度下焦油存在形態(tài)的Desilets D. J. 等1241分 別在中試規模和已投產(chǎn)的下吸轉變過(guò)程，如表3所示。式氣化爐上進(jìn)行了焦油分析，發(fā)現下吸式氣化焦油主要表3各溫度下焦油組成1163為無(wú)取代基的多環(huán)芳香烴及其甲基化行生物，特別提及溫度/心焦油組分了分子量從萘到暈苯的組分。00含氧組分SaloK.等(2)在一 臺流化床氣化爐上進(jìn)行了360 h運酚醚類(lèi)行實(shí)驗，測得重焦油(凝結組分)為25 ~ 160 mg/m',;00烷基酚類(lèi)雜環(huán)醚類(lèi)而輕焦油為5 ~ 10 g/m'，其中苯和蔡占了55%以上。800多環(huán)芳香烴Wallin M.等20119研究了LUND流化床氣化爐，認為三大分子多環(huán)芳香烴環(huán)和四環(huán)的芳香烴是主要組分。SimellP. A.等l26. 27指出典型的流化床氣化爐所生成的焦油中，50% ~ 60%為苯，隨著(zhù)溫度的升高，初級焦油逐漸向三級焦油轉化，高10% ~ 20%為萘，還包括有一-些多環(huán)芳香族化合物。溫下多為無(wú)取代基的大分子多環(huán)芳香烴。歸納以上研究者的觀(guān)點(diǎn)，根據前文EvansR. J.對焦Vassilatos V.等(9研究了溫度對生物質(zhì)熱解氣化焦油油的分類(lèi)，可以認為上吸式氣化爐中，焦油主要源于熱的影響，指出苯酚在700 C時(shí)相對穩定，但在900 C時(shí)解反應，因此其產(chǎn)氣中以含氧組分等初級焦油為主，組大量地被分解; 800 C升溫至900 C，兩種主要的芳香族分環(huán)數較低且較不穩定。同時(shí)考慮到氣化爐的實(shí)際運行組分，茚和蔡的生成量明顯上升了，而焦油總量則減少情況(包括氣化氣所處溫度.氣化氣在爐膛內的時(shí)間等),了; 900C時(shí)的焦油中蔡占了很大比重。不同溫度下萘和茚亦可能轉化生成-定量的二級焦油。的比例分別為0.533 (700C)、0.79 (800C)、1.21 (900C),下吸式氣化過(guò)程中，熱解區生成的絕大部分焦油在呈線(xiàn)性增長(cháng)。根據實(shí)驗結果研究者提出茚和萘的形成始通過(guò)高溫氧化區時(shí)被消耗，很少的- -部分初級焦油被轉于酚類(lèi)的裂解，并伴有環(huán)戊二烯基等中間產(chǎn)物，溫度是化成了三級焦油，多為無(wú)取代基的多環(huán)芳香烴，較上吸主要的影響因素。式的焦油組分環(huán)數更大，化學(xué)結構也更穩定191258。上吸YuQ.等|}0|在沉降爐上研究了碎木料在700, 800,式與下吸式氣化爐產(chǎn)氣中的焦油組分具有互異性。900C下的焦油生成規律,提出溫度的提高將減少焦油的而流化床氣化爐中，如前所述爐中同時(shí)存在著(zhù)類(lèi)似總量，并且有利于苯、萘以及多環(huán)芳香烴的形成。在700C于上吸式和下吸式氣化爐的反應過(guò)程，因此其焦油組成時(shí)有相當數量的苯酚和甲苯生成，隨著(zhù)溫度的升高逐漸也涵蓋了兩種氣化爐的組分，考慮到其較長(cháng)的氣體滯留裂解轉化成熱穩定性更高的組分，如苯和蔡。高于800C爐內時(shí)間，焦油更趨向于轉化為二、三級焦油。的溫度下，三環(huán)和四環(huán)芳香烴的比例有所增加，高溫焦油不包含酸類(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)和脂肪族組分，僅有酚類(lèi)和3氣化溫度的影響芳香烴。氣化溫度對焦油的生成亦有很大的影響。Kinoshita C. M.等I在-臺實(shí)驗室規模的流化床BakerE. G.等}}指出隨著(zhù)溫度的升高，焦油生成量氣化爐上開(kāi)展了研究，不同溫度下其焦油生成量分別為的下降趨勢非常明顯。圖2給出了焦油生成量與溫度關(guān)43 (700C), 54 (750 C), 25g/kg (900 C)。監測到系的趨勢圖，1000 C氣化時(shí)焦油最已接近0kg/100kg干有明顯析出的組分有苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯.苯贛綜述《工業(yè)加熱》第39卷2010年第6期酚，以及少量的茚。研究者指出含氧組分僅在<800C氣結果表明焦油在氧的作用下可以轉化為可燃小分子氣體?；瘻囟鹊墓r下才有較多的生成。丹麥科技大學(xué)8|針對兩段式氣化爐開(kāi)展了研究，加Kurkela E.等在一-份報告132]中指出，高溫下焦油主入喉口噴氧后達到了僅為5 mg/m2的焦油量。指出氧量的要為苯、蔡和大分子多環(huán)芳香烴。增大提高了局部溫度，并促進(jìn)了焦油的裂解反應，從而吳正舜等13)考查了不同溫度下谷殼氣化過(guò)程中產(chǎn)生降低了產(chǎn)氣中焦油的質(zhì)量濃度。泰國亞洲理工學(xué)院的Bui的焦油，提出隨著(zhù)溫度的升高，低溫中形成的焦油組分等181404以及山東大學(xué)的賴(lài)艷華等39)亦在相關(guān)研究中得到會(huì )發(fā)生熱裂解二次反應，脫氧且芳香化程度增大，800 C了類(lèi)似的結論。以上焦油以多環(huán)芳香烴為主。諸多研究表明，氧能通過(guò)促進(jìn)裂解和提高溫度兩個(gè)總結以上工作，筆者認為溫度對焦油的影響可概括途徑很大程度上抑制氣化過(guò)程中焦油的生成，富氧狀態(tài)為兩方面:第一，隨著(zhù)溫度的升高焦油量有顯著(zhù)的下降;下生物質(zhì)幾乎不會(huì )轉化為焦油。第二，隨著(zhù)溫度的升高，焦油由初級組分向更穩定、環(huán)5結論與展望數更多、芳香化程度更高的三級焦油轉化。生物質(zhì)的熱解過(guò)程開(kāi)始于200C,一般持續至500C,本文整理和總結了大量生物質(zhì)氣化焦油方面的研究這個(gè)過(guò)程中生物質(zhì)分子鍵發(fā)生斷裂，纖維索、半纖維素成果，以期歸納獲得生物質(zhì)氣化過(guò)程中焦油的生成和組和木質(zhì)素將轉化成含氧的、可凝的有機組分(即初級焦成受氣化爐爐型，溫度與氧量等因素的影響規律。結論油，可以認為是原始生物質(zhì)料結構中的一-些片斷)。如下:當溫度上升超過(guò)500 C后，低溫下生成的含氧組分(1)初級、二級和三級焦油的分類(lèi)方法由于其與焦等初級焦油難以保持穩定，大量發(fā)生分解，- 部分轉化油生成轉化過(guò)程的密切聯(lián)系，已被廣泛認可和引用;成了一-氧化碳、甲烷等輕質(zhì)氣體，而另一部分則逐步聚(2)不同爐型氣化爐產(chǎn)氣中焦油的質(zhì)量濃度從大到合成了分子量更大、結構更穩定的二、三級焦油。小依次為:上吸式>流化床> 下吸式，改進(jìn)爐型在焦油控隨著(zhù)溫度的進(jìn)一步上升，三級焦油比重逐漸增大，芳制上更有優(yōu)勢;香化程度逐漸增大。高于800 C溫度下的焦油已不包含(3)焦油組成和氣化過(guò)程密切相關(guān)，上吸式 氣化爐酸類(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)和脂肪族組分，幾乎全為無(wú)取代基的焦油多為含氧組分等初級焦油;而下吸式氣化爐生成的焦油則以高度芳香化的三級焦油為主;流化床氣化爐的多環(huán)芳香烴。參考ElittD. C.等18/636S的研究，筆者嘗試給出了焦油涵蓋了二、三級焦油組分;氣化溫度升高過(guò)程中焦油組分的變化趨勢,如圖3所示。(4)溫度的升高使得焦油量明顯下降，且趨向于轉化為高環(huán)數、高芳香化的三級組分;初級二級三級(5)氧量的增大將促進(jìn)焦油裂解，同時(shí)提 高局部溫焦油度，對焦油的生成具有抑制作用。200C500C800C最后，考慮到焦油在組成、轉化等方面的復雜性，筆者認為更深人的研究仍然有待開(kāi)展。第一，現有工作僅OH口給出了焦油組成受溫度等條件的影響，需要進(jìn)一一步的研究給出更詳細的、各組分受條件影響的規律及其轉化的過(guò)程。第二，盡管初級、二級和三級焦油的分類(lèi)已經(jīng)較0為成熟，但筆者認為需要應用更細致的、依據不同性質(zhì)oorXQ(如官能團)的分類(lèi)方法，來(lái)深人研究其反應歷程。第三，初級轉化為二級和三級的動(dòng)力學(xué)和反應路徑尚未完全清圖3焦油組分隨溫度升高的變化過(guò)程晰;類(lèi)似的，三級產(chǎn)物聚合生成炭黑的反應過(guò)程、路徑亦需要定性、定量的研究清楚，這對工程應用意義重大。4氧量的影響PhuphuakratT.等})在中試規模氣化爐上進(jìn)行了0.29參考文獻:~ 0.36空燃比下的氣化實(shí)驗，指出較多的氧量能強化焦[I]SUTTON D, KELLEHER B, ROSSJR H. Review ofLiterature油的裂解和燃燒，從而減少產(chǎn)氣中的焦油質(zhì)量濃度。Mi-on Catalysts for Biomnass Gasification[J]. Fuel Processing Tech-yazawaT. (35和JensenP. A. 136亦分別在各自的工作中報nology, 2001, 73 (3): 155-173.[2] DEVI L, PTASINSKI KJ, JANSSENFJJG. A Review of道了高氧量下焦油的裂解。the Primary Measures for tar Elimination in Biomass Gasifica-BrandtP.和Henriksen U. 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Then future trends on induction heating power which accompany with the development of power electronics are proposed.Key words: power ectronics; induction heating power, development眾所周知，早在19世紀科學(xué)家就發(fā)現了電磁感應現方面取得了一系列重大突破，進(jìn)入了快速發(fā)展階段,本文象，以及后來(lái)的集膚效應、鄰近效應和圓環(huán)效應，這些結合電力電子技術(shù)和感應加熱電源的發(fā)展現狀，分析了電理論都為感應加熱技術(shù)的實(shí)用化奠定了堅實(shí)的基礎。雖力電子技術(shù)的發(fā)展給感應加熱電源研究帶來(lái)的機遇，總結然感應加熱的原理發(fā)現比較早，但人類(lèi)真正廣泛地應用了目前感應加熱電源發(fā)展中所面臨的巨大挑戰，進(jìn)而提出這一技術(shù)研制感應加熱電源是在電力電子技術(shù)發(fā)展以后。感應加熱電源在電力電子技術(shù)發(fā)展中的建議和趨勢.近幾十年來(lái)，隨著(zhù)電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)的1電力電子 技術(shù)的研究擴展了感應加熱電源研快速發(fā)展，感應加熱電源在理論、頻率、電路、控制等究的廣度和深度收稿日期: 2010-06-23; 修回日期: 2010-09-281)電力電子技術(shù)為現代感應加熱電源的發(fā)展提供技作者簡(jiǎn)介:唐媛芬(1980-)，女，江蘇揚州人，講師，導師李宏教術(shù)支持。授，研究方向:檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置.[31] KINOSHITAC M, WANG Y, ZHOUJ. Tar Formation underPerformance of Supported Ni Catalysts in Partial OxidationDiferent Biomass Gasification Conditions [J]. J. 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