生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進(jìn)展

第13卷第3期水運No. 32013年3月China Water Transport2013生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進(jìn)展劉立新(武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司,湖北武漢430071)摘要:生物質(zhì)能是分布廣泛、二氧化碳“零排放”的可再生能源,生物質(zhì)氣化技術(shù)是高效利用生物質(zhì)能的技術(shù)之。文中對生物質(zhì)氣化的原理,影響因素以及該技術(shù)面臨的焦油這一主要問(wèn)題的解決方案進(jìn)行闡述。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化;影響因素;焦油中圖分類(lèi)號:S216文獻標識碼:A文章編號:1006-7973(2013)03-0074-02伴隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )的不斷進(jìn)步,對能源的需求也日益增長(cháng)。下可裂解為可燃氣)和氣態(tài)二氧化碳、水蒸氣和可燃氣(包然而現有能源中,占據主要地位的化石能源—煤、石油、括氫氣、一氧化碳和低分子烴類(lèi)物質(zhì)),其反應方程式可表示天然氣已面臨資源匱乏的境地,且其大量使用引發(fā)的大氣為千生物質(zhì)+熱量→CO2+焦炭+焦油+可燃氣+H2O;還原區染、光化學(xué)污染、酸雨、溫室效應等一系列環(huán)境問(wèn)題也讓環(huán)主要發(fā)生熱分解區產(chǎn)生的炭及大分子有機化合物與H2O及境保護面臨巨大壓力;其他能源利用也存在局限性,核能存CO2的反應;氧化區的反應為放熱反應,釋放的熱量為其他在廢料處理、安全及原料不可再生的瓶頸;可再生能源中太階段的反應提供熱源,保證反應順利進(jìn)行。實(shí)際氣化過(guò)程中陽(yáng)能、風(fēng)能的利用成本較高,大水電對生態(tài)系統存在潛在威上述三步反應并沒(méi)有嚴格界線(xiàn),生物質(zhì)經(jīng)歷上述反應得到氣脅,地熱能、潮汐能有地域性的局限。而生物質(zhì)能以其分布化初產(chǎn)品合成氣,其組分是決定后續利用的關(guān)鍵因素。泛且產(chǎn)量巨大、可再生,二氧化碳“零排放”等優(yōu)勢吸引三、生物質(zhì)氣化的影響因素著(zhù)越來(lái)越多的關(guān)注影響氣化過(guò)程的因素主要有原料的氣化特性(如含水量、、生物質(zhì)的利用形式及其發(fā)展歷程反應性、灰分、原料尺寸等)和氣化條件(包含溫度、氣化生物質(zhì)能利用形式多樣,按照其提供產(chǎn)品的形式可將其設備結構、氣化劑種類(lèi)等分為轉化為能量和方便運輸的優(yōu)質(zhì)燃料兩種方式,其中直接1.含水量燃燒和熱解氣化是提供能量的轉化方式,氣化(發(fā)酵、熱解原料含水量對氣化的影響主要體現在兩個(gè)方面,水分蒸氣化)和液化(熱解、生物柴油、發(fā)酵)發(fā)需要消耗氣化過(guò)程中氧化反應所放出的熱量,降低氣化區生物質(zhì)直接燃燒由于生物質(zhì)原料堆密度小、熱值低,且域溫度,會(huì )造成烴的不完全裂解,使產(chǎn)氣量減少;另外,增在我國面臨分布分散的問(wèn)題,導致運輸成本高,其經(jīng)濟性需加水分促進(jìn)水氣置換反應CO+H2O→CO2+H2的發(fā)生,使進(jìn)行論證;發(fā)酵的原料一般為玉米、小麥等糧食作物,有引H2/CO比例增大,但原料含水量增加使產(chǎn)氣熱值降低。發(fā)糧食危機的風(fēng)險,另外大規模種植單一物種也會(huì )破壞生物2.堿(土)金屬多樣性,因此目前關(guān)于此項轉化技術(shù)開(kāi)展了有關(guān)水藻等原料生物質(zhì)灰分主要成份為堿(土)金屬氧化物,SO2A12O3的研究;生物質(zhì)直接液化是直接在有一定溫度和壓力的設備等,一般堿(土)金屬共熔體灰熔點(diǎn)較低2,對于反應性好中加入適當的溶劑和生物質(zhì),在催化或無(wú)催化的條件下,使的原料,可在較低溫度下操作,因此其氣化過(guò)程不易結渣生物質(zhì)轉化為液化油,產(chǎn)物可作為汽車(chē)燃料或通過(guò)進(jìn)一步的若生物質(zhì)灰分中含有較多堿(土)金屬氧化物,氣化過(guò)程中分離處理形成化工產(chǎn)品,該技術(shù)目前仍處于實(shí)驗室研究階段。生成低熔點(diǎn)共熔體的可能性大大增加,結渣風(fēng)險增大,不利生物質(zhì)氣化技術(shù)既可將生物質(zhì)能直接轉化為電能或熱于氣化反應,值得注意的是,目前研究表明堿(土)金屬對能,也可將其轉化為氣體或液體燃料,擴展了生物質(zhì)的應用氣化反應有催化作用,因此在不造成氣化設備結渣的前提下范圍,氣化產(chǎn)品不僅可以用于發(fā)電,工業(yè)供熱等,還可以通生物質(zhì)中的堿(土)金屬可促進(jìn)氣化反應的進(jìn)行過(guò)FT合成轉化為液體燃料面用于發(fā)動(dòng)機,通過(guò)恰當的凈3.粒徑化處理后還可作為燃料電池的原料等粒徑小的原料比表面積大,可提供較多的反應表面,且二、生物質(zhì)氣化的原理其熱阻力也較小,使氣化爐內的溫度分布更加均勻,氣化效生物質(zhì)在氣化爐中經(jīng)歷一系列復雜的熱化學(xué)反應,由固果好。原料粒徑分布的均勻性主要影響氣流分布,若將未篩態(tài)生物質(zhì)轉化為合成氣,按生物質(zhì)在氣化設備中的反應可將分的原料加入固定床內,會(huì )造成大顆粒在床層中分布不均,其劃分為4個(gè)區,干燥區、熱解區、還原區和氧化區,反應并形成阻力較大和阻力較小的區域,形成局部強烈燃燒溫度可分為熱分解過(guò)程、還原過(guò)程和炭的燃燒過(guò)程。生物質(zhì)原料過(guò)高,造成氣化局部上移或燒結形成“架空”現象。嚴重時(shí),進(jìn)入氣化設備中首先被干燥,然后發(fā)生熱解反應,析出大部氣化層可能越中國煤化工象,從“繞穿”分揮發(fā)分,其主要產(chǎn)物是固態(tài)焦炭、液態(tài)焦油(在適當條件區出來(lái)的氣化齊嚴重降低氣體CNMHG收稿日期:2013-01-06作者簡(jiǎn)介:劉立新(1966-),男,武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司高級工程師。劉立新:生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進(jìn)展燃料質(zhì)量,使氣化器處于不正常操作狀態(tài)。因此,氣化原料結合造成設備管道的堵塞、腐蝕等間題,且焦油不易完全燃必須經(jīng)過(guò)篩分預處理。燒,形成的炭黑等顆粒會(huì )損壞后續如內燃機、燃氣輪機等以4.溫度產(chǎn)氣為原料的設備;特別地,焦油是一種成分及其復雜的混在不同的氣化條件下,氣化產(chǎn)物成分的變化很大,主要合物,組分多達200多種,其中一些組分的致癌性會(huì )給人類(lèi)取決于熱分解反應和熱分解產(chǎn)物的二次反應進(jìn)行的程度。反健康及環(huán)境帶來(lái)危害。應溫度是影響氣化過(guò)程的主要因素,溫度的高低不僅會(huì )影響1.焦油脫除方法一物理法產(chǎn)氣的速率,而且對物料反應過(guò)程中的吸放熱等可逆反應也目前對于焦油問(wèn)題采取的措施主要有焦油裂解和焦油移定的影響,從而最終影響到氣化產(chǎn)物分布、產(chǎn)品氣的組成、除,前者主要包括優(yōu)化氣化爐運行條件降低焦油生成量和化產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣熱值等學(xué)除焦油法,按照是否使用添加劑分為熱裂解法和催化裂解5.氣化爐法,原理是把焦油轉化為小分子氣體;后者主要包括淋洗法、氣化爐提供氣化反應所需條件,其設備結構對氣化影響過(guò)濾和電捕集法3種物理除焦油法,物理法只能降低產(chǎn)氣中很大。根據運行方式,可分為固定床、流化床和氣流床焦油的含量,并不能真正的消除焦油,還存在后續處理的問(wèn)固定床氣化爐是使原料在處于相對靜止的床層中完成氣題。荷蘭的ECN除了上面提到的幾種方法外,還對焦油的化反應,根據氣流運動(dòng)方向的不同,固定床氣化爐又可以分移除采用油洗,對焦油的裂解使用等離子方法,其中油洗焦為上吸式、下吸式和橫吸式3種。上吸式固定床爐內氣體與油的效果要優(yōu)于水洗焦油,但等離子技術(shù)對焦油裂解的影響物料運動(dòng)方向相反,熱效率高,且可燃氣中灰分含量少,但還需要改進(jìn);吳文廣等還指出部分氧化法去除焦油,即在其焦油含量高。下吸式固定床爐內氣體與物料運動(dòng)方向一致,過(guò)量空氣系數小于1的條件下,利用部分生物質(zhì)氣化氣燃燒可燃氣中焦油含量較少,但對引風(fēng)機功耗要求高,且可燃氣產(chǎn)熱,在高溫和氧化條件下生成自由基脫除焦油,但該方法溫度高需冷卻,爐內熱效率較低。橫吸式固定床氣化爐物料機理不明,目前關(guān)注較少。在爐內的停留時(shí)間短,且還原層的容積較小,燃氣質(zhì)量不好,2.焦油脫除方法一化學(xué)法且排出的氣體溫度高,其熱效率很低。熱裂解法由于需要很高的溫度,對反應器材質(zhì)要求高三種固定床氣化爐中,橫吸式固定床氣化爐的應用很少,且能源消耗大,一般不予考慮。催化裂解法降低焦油含量是下吸式固定床應用最為廣泛,但固定床生產(chǎn)能力較小,且對利用催化劑提高焦油的裂解率以降低焦油含量,使用合適的細小顆粒、堆密度小的無(wú)法依靠自身重力流動(dòng)的原料無(wú)法處催化劑后,不僅能使焦油裂解溫度降低至700~900℃,還能理,此時(shí)流化床氣化爐獨特的優(yōu)勢顯現出來(lái)。提高焦油的轉化效率,產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效應,因此,針對不流化床氣化爐的流化介質(zhì)一般為情性材料石英砂等。按同的氣化情況選擇或改良合適的催化劑是目前重點(diǎn)研究的方照原料供應方式的不同,流化床氣化爐可分為鼓泡床氣化爐、向,綜合考慮經(jīng)濟性和轉化效果,常見(jiàn)催化劑有天然礦石循環(huán)流化床氣化爐和雙流化床氣化爐。流化床氣化爐的優(yōu)點(diǎn)改性天然礦石(加入鎳、鐵等)及鎳基催化劑。是物料反應溫度十分均勻,氣化反應快,產(chǎn)氣率高,且可燃五、結語(yǔ)氣中焦油含量較少、可燃氣熱值較高;但其可燃氣中灰分含隨著(zhù)研究的深入,生物質(zhì)氣化技術(shù)也將越來(lái)越成熟,生量較多,且氣化爐結構比較復雜對原料適應性有限物質(zhì)能廣泛的存在,生物質(zhì)氣化技術(shù)對其多方位的利用,生由于固定床氣化爐和流化床氣化爐的氣化溫度一般不會(huì )物質(zhì)能將會(huì )我們提供源源不斷的能量,促進(jìn)社會(huì )可持續發(fā)展。超過(guò)1,000℃,產(chǎn)生的可燃氣體中均含有一定量的焦油,造成后續利用困難。為了解決焦油含量高的問(wèn)題,生物質(zhì)氣流參考文獻床這一高溫氣化技術(shù)正在進(jìn)行實(shí)驗研究。[1]SP. Babu, Gasification of Biomass for Power and氣化劑氣化劑作為氣化反應的反應物之一,對氣化反應影響很2]P. McKendry, Energy production from biomass(par3):大,目前有研究應用的主要有空氣、水蒸汽、空氣+水蒸汽、gasification technologies]. Bioresource Technology, 2002氧氣和氫氣五種形式,按照產(chǎn)氣的熱值高低2將其分為3類(lèi)(83):55-63.以空氣、空氣+水蒸汽為氣化劑生成低熱值合成氣,用于燃燒(3]陳平.生物質(zhì)流化床氣化機理與工業(yè)應用研究D合肥或發(fā)動(dòng)機燃料;以氧氣、水蒸汽為氣化劑生成中熱值合成氣,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.可作為化學(xué)產(chǎn)品的原料;以氫氣為氣化劑的合成氣,但其無(wú)(4D. Dayton, A Review of the Literature on Catalytic Biomass實(shí)際應用?？筛鶕?shí)際用途選擇合適的氣化劑進(jìn)行氣化反應。Tar Destruction [R]. 2002, NREL/TP-510-32815.四、焦油的危害5]CA Mullen, A. A. Boateng, K B. Hicks, et al., analysis and氣化的產(chǎn)物主要包括幾類(lèi)物質(zhì),氣態(tài)產(chǎn)物CO、H2、CO2、Comparison of Bio-Oil Produced byCH4和其他輕烴C2C有機雜質(zhì)焦油、無(wú)機雜質(zhì)H2S、HCl、Three Barley Biomass/Byproduct Streams[]. EnergyHCN、NH3堿金屬和顆粒物等,其中焦油問(wèn)題最為突出,Fuels, 2010是限制生物質(zhì)氣化大規模發(fā)展的瓶頸。焦油的存在不僅降低[6吳文廣,羅永中國煤化工方法研究進(jìn)展了整體氣化效率,造成能量浪費;還易冷凝,與水和炭粒等刀工業(yè)加熱CNMHG