生物質(zhì)氣化技術(shù)及進(jìn)展

廣東化工2011年第3期26.www.gdchem.com第38卷總第215期生物質(zhì)氣化技術(shù)及進(jìn)展陳起朋，曾顯華，胡林順，尹荔松(五邑大學(xué)分析測試中心，廣東江門(mén)529020)[摘要]能源和環(huán)境的雙重壓 力使得可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越重要。生物質(zhì)能是地球上重要的可再生能源，具有廣闊的發(fā)展前最。我國有著(zhù)豐富的生物質(zhì)資源，開(kāi)發(fā)和利用生物質(zhì)能源對于緩解我國能源、環(huán)境及生態(tài)問(wèn)題都具有重要的意義。文章介紹了生物質(zhì)氣化技術(shù)的原理及研究進(jìn)展，分析了氣化過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，并指出了氣化技術(shù)的研究方向。(關(guān)鍵同生物質(zhì):氣化;進(jìn)展中圖分類(lèi)號]TQ[文獻標識碼]A|文章編1007-18651011030026-02Biomass Gasification Technology and its DevelopmentChen Qipeng, Zeng Xianhua, Hu Linshun, Yin Lisong.(Instrumental Analysis & Research Center, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)Abstract: Because of the dual pressure of the energy and environment, the exploiation and uiliation of the renewable and clean energy sources are becomingmore and more important. Biomass energy is an important and renewable energy resource on carth, which had a broad prospect of development. Our country hadabundant biomass resources. exploitation and uilization of biomass sources is of grcat significance for softening the problems of energy. environment and ccology.In the paper the principles and developments of biomass gasifcation tchnology were briefly ittoduced. The problems existed in the gasificarion process wereanalyzed. The research directions of gasificaion tehnology were proposed.Keywords: biomass; gasification; development能源是經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的重要物質(zhì)基礎。隨著(zhù)石油和其他了氣化劑，使生物質(zhì)發(fā)生部分燃燒，從而為氣化過(guò)程提供了大化石能源的日漸枯竭和全球對氣候變化問(wèn)題的日益關(guān)注，節約量的熱量，屬于自供熱源工藝。目前關(guān)于氧化法氣化技術(shù)的研能源、提高能源利用率和開(kāi)發(fā)利用可再生能源成為世界能源發(fā)究較多展的主要方向。生物質(zhì)能是地球上豐富的可再生能源，是僅次在氧化法氣化工藝中，生物質(zhì)原料基本上要經(jīng)過(guò)氧化、還于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源原、裂解(熱解)和干燥四個(gè)階段，其主要的反應方程式如下:"，是具有廣泛應用價(jià)值的清潔能源，是解決能源和環(huán)境危機氧化階段: C+O2二= = CO2+ 393.51kJ的重要保障。自20世紀70年代開(kāi)始，生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)和利用日2C+ O2=2CO + 221.34 kJ益受到各國的高度重視，我國于2008年3月18日出臺的《可再2C0+O22CO2+565.94 kJ生能源發(fā)展“十一五”規劃》確定了生物質(zhì)能利用的指導方針2H2+O2: 2H20+483.68kJ和發(fā)展目標，為我國發(fā)展和使用生物質(zhì)技術(shù)指明了方向和道還原階段: C+CO2=2CO- 162.41 kJ路H2O+CCO+ H2- 118.82 kJ我國生物質(zhì)種類(lèi)形態(tài)繁多，其轉化方式也多種多樣，其中2H2O+C =CO2+ 2H2- 75.24kJ生物質(zhì)氣化技術(shù)是最具實(shí)用性的一種。生物質(zhì)氣化技術(shù)原理簡(jiǎn)H2O+CO =CO2+ H2- 43.58 kJ單，操作方便，成本低，效率高，可在工農業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域2常用氣化工藝及設備廣泛的使用。2.1 常用氣化介質(zhì)及特點(diǎn)1生物質(zhì)氣化基本原理生物質(zhì)揮發(fā)份高，固定碳含量低，活性強，而且含S、N生物質(zhì)氣化技術(shù)按原理可分為熱解氣化技術(shù)和氧化法氣等有害元素極少，所以非常適合于氣化。目前生物質(zhì)氣化的?；夹g(shù)。熱解氣化技術(shù)是指在沒(méi)有氧化劑的條件下，快速升溫用氣化介質(zhì)有空氣、氧氣、水蒸氣等以及這些氣體的混合物。使生物質(zhì)中的有機高分子(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等)高溫這些不同的氣化方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中空氣水蒸氣氣裂解成固態(tài)炭、可燃氣和生物油的熱化學(xué)轉化技術(shù)。三種產(chǎn)物化結合了空氣氣化設備簡(jiǎn)單、操作維護簡(jiǎn)便以及水蒸氣氣化氣的比例跟熱解的工藝(升溫速率、氣相滯留時(shí)間、壓力等)有關(guān)，中H2含量高的優(yōu)點(diǎn)。詳見(jiàn)表17。其生產(chǎn)過(guò)程需要外供熱源。氧化法氣化工藝在生產(chǎn)過(guò)程中加入表1常用氣化介質(zhì)及特點(diǎn)Tab.1 The common gasification medium and its characteristics氣化介質(zhì)外供熱源氣體屬性產(chǎn)氣HCO摩爾比特點(diǎn)空氣不需要低熱值，約5 MJ/m’1:2設備簡(jiǎn)單、操作維護簡(jiǎn)便中熱值，約15 MI/m’1:1純氧成本高水蒸氣需要中熱值，約17~21 MI/m'需要蒸汽發(fā)生器和過(guò)熱設備，技術(shù)復雜空氣(氧氣)水燕氣不需要中低熱值， 約115 M/m'3: 1成本路高2.2常用氣化設備及特點(diǎn)為上吸式、下吸式、橫吸式和開(kāi)心式氣化器，目前較為成熟的目前,常用的生物質(zhì)氣化爐主要有固定床氣化爐和流化床氣化反應設備主要是前兩種爐型。表2是兩種爐型的主要特點(diǎn)氣化爐兩種。2.2.1固定床氣化爐2.2.2流化床氣化爐固定床氣化爐設備簡(jiǎn)單、熱效率高，處理量小，適合中、流化床氣化爐具有物料混合均勻、反應速度快、反應溫度小規模的工業(yè)化生產(chǎn)。在固定床氣化爐中，物料相對于氣流處均勻、傳熱傳質(zhì)系數高、能連續工作、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)，但于靜止狀態(tài)，根據氣化劑在爐內的走向，固定床氣化器可以分其對原料粒徑要求嚴格，可燃氣灰分含量較多、焦油含量高、[收稿日期2010-12-27[作者簡(jiǎn)介1陳起朋(1983-)， 男，湖北江陵人，在讀碩士研究生，主要研究方向為生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)利用。2011年第3期廣東化工第38卷總第215期www.gdchem.com.27出口溫度高等。流化床氣化爐可分為單流化床氣化爐、循環(huán)流大、系統較難控制、投資大，適合于大規模的發(fā)電、供熱9?；矚饣癄t、雙流化床氣化爐等。流化床設備復雜、技術(shù)難度表2兩種固定床氣化爐型的特點(diǎn)Tab.2 Characteristics of the two kinds of fixed bed gasifiers氣化爐型氣流走向爐內氣壓連續進(jìn)料爐排焦油含量熱值上吸式與原料移動(dòng)方向相反微正壓不能爐排受到進(jìn)風(fēng)的冷卻，不易損壞偏高下吸式與原料移動(dòng)方向相同微負壓能爐排處于高溫區，容易損壞低偏低3生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展狀況利用技術(shù)有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。雖然我國生物質(zhì)氣化技術(shù)已經(jīng)1839年第一臺氣化爐就已問(wèn)世,但生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)較取得了較大進(jìn)展，但仍有很多不足之處，結合國內相關(guān)技術(shù)的大規模應用則是始于20世紀30、40年代。第二次世界大戰后，發(fā)展趨勢，以后需在以下幾個(gè)方面加強研究。幾乎所有發(fā)達國家的能源結構都轉向以石油為主，使生物質(zhì)氣(1)優(yōu)化生物質(zhì)氣化爐結構， 進(jìn)一步抑制焦油的產(chǎn)生或將化技術(shù)在較長(cháng)時(shí)期內陷于停滯狀態(tài)。從70年代初開(kāi)始，受石油焦油裂解，盡量降低燃氣中焦油的含量，減輕燃氣后處理的負危機影響，西方各個(gè)國家出于能源和環(huán)境戰略的考慮，紛紛投(2)加強氣化裝置輔助設備的研究，通過(guò)對燃氣成份、溫入大量人力物力,進(jìn)行可再生能源的研究，使得生物質(zhì)氣化這度、料層高度等參數的監測，實(shí)現氣化過(guò)程的自動(dòng)控制;一技術(shù)煥發(fā)生機生物質(zhì)氣化技術(shù)伴隨著(zhù)氣化裝置的改造而發(fā)展。目前國外(3)加強燃氣凈化裝置的研究，形成配套合理、運行方便、生物質(zhì)氣化裝置一般規模較大,自動(dòng)化程度高，工藝復雜，造經(jīng)濟可靠的氣化機組。價(jià)較高。美國在利用生物質(zhì)能發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地位，其參考文獻.建立的Btelle生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程代表生物質(zhì)能利用的[1]周中仁，吳文良，生物質(zhì)能研究現狀及展望[D].農業(yè)工程學(xué)報，2005,世界先進(jìn)水平1101。UTin Win設計的戶(hù)用氣化爐對稻殼可以進(jìn)21: 12-15.行高效無(wú)煙燃燒，并且各種廚房垃圾如土豆皮、菜葉等均可以[2]駱偉峰，王紅林，陳礪，等.下吸式固定床氣化木薯莖稈試驗研究[].廣作為原料和稻殼-起參與氣化反應。國內生物質(zhì)氣化技術(shù)在20世紀80年代后有了較快發(fā)展。80東化工，2008, 35(6): 13-16.年代初期，我國研制了固定床氣化器和內燃機組成的稻殼發(fā)電[3]王建楠，胡志超，彭寶良，等。我國生物質(zhì)氣化技術(shù)概況與發(fā)展[).農機組。90年代中期，中科院廣州能源所進(jìn)行了流化床氣化器的機化研究，2010, 1: 198-202.研制，并與內燃機結合組成了流化床氣化發(fā)電系統。我國小型[4)鄭昀，邵巖，李斌。生物質(zhì)氣化技術(shù)原理及應用分析[J].區域供熱, 2010,氣化爐的研究開(kāi)發(fā)也在逐步發(fā)展，形成了多個(gè)系列的爐型。如[5]王武林，生物質(zhì)氣化技術(shù)及焦油凈化方法[].農機化研究，2010, 4:3: 39-42.云南省研制的QL-50、60型戶(hù)用生物質(zhì)氣化爐，中國農業(yè)機械化科學(xué)研究院研制的ND系列生物質(zhì)氣化爐;中科院廣州能源[6]徐慶賢，謝建，張無(wú)敵，等，云南省生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現狀[].可再所研制出的GSQ型氣化爐等間。部分學(xué)者對氣化爐也進(jìn)行了生能源，2004, (4): 66-68.-一些改進(jìn)。如王中賢門(mén)等人在生物質(zhì)氣化中引入高溫熱管技[7]劉廣青，董仁杰，李秀金。生物質(zhì)能源轉化技術(shù)(M].北京:化學(xué)工業(yè)術(shù)，開(kāi)發(fā)出了一種間接供熱的熱管式生物質(zhì)氣化爐。譚季秋網(wǎng)等人將原生物質(zhì)氣化爐的手動(dòng)控制改為自動(dòng)控制，引入PLC控出版社，2009: 184-197.制器，給出了系統硬件設計及軟件結合的方法，解決了氣化爐[8]張建安，劉德華。生物質(zhì)能源利用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,手動(dòng)控制閥多、控制過(guò)程繁雜、操作人員專(zhuān)業(yè)水平要求較高的[9]劉榮厚。生物質(zhì)能工程(M]。北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009: 214-235.2009: 40-50難題。朱華炳等人根據生物質(zhì)氣化原理，設計出了一種產(chǎn)[10]田成民。我國生物質(zhì)氣化技術(shù)研究概況[]?；r(shí)刊，2004，18(12);:氣熱值高和焦油含量低的內燃加熱式氣化爐。劉春生等入9-21.根據氣化原理對上吸式氣化爐進(jìn)行了改進(jìn)，設計了- .個(gè)適合農[11]Bhattacharya s C, Augustus L M. Prospeets forbiomass gsfiers for戶(hù)使用的小型生物質(zhì)氣化系統。4生物質(zhì)氣化技術(shù)主要存在問(wèn)題cooking applications in Asia[J]. Thailand, Asian Institute of Technology,2005: 3-8生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展已有一百多年，盡管目前已經(jīng)進(jìn)入[(12]李鵬，王維新，吳杰，等。生物質(zhì)氣化及氣化爐的研究進(jìn)展[].新疆商業(yè)階段，但是尚有一些核心技術(shù)沒(méi)有解決，最突出的問(wèn)題是農機化，2007, (3): 46-48.焦油的凈化。焦油是氣化過(guò)程中不可避免的一種副產(chǎn)物，其不[13]王中賢，張紅，于紅梅，等.熱管式生物質(zhì)氣化爐的研究[].石油化僅會(huì )降低氣化效率，污染環(huán)境，而且會(huì )堵塞管道，影響設備的工，2008， 37(2): 127-131.正常運行。目前焦油的解決方法主要有水洗、過(guò)濾、電捕和裂[14]譚季秋，宋曉波，朱培立，等.生物質(zhì)氣化爐智能控制器設計[J].湖解等。在氣化過(guò)程中如何降低焦油的含量，是生物質(zhì)氣化技術(shù)南I程學(xué)院院報，2010, 20(2): 20-23.中的一個(gè)重要研究課題[15)朱華炳，胡孔元，陳天虎，等。內容燃加熱式生物質(zhì)氣化爐設計[J].農我國有關(guān)學(xué)者在焦油處理方面進(jìn)行了大量研究,如吳正舜業(yè)機械學(xué)報，2009, 40(2): 96-102.[8)等人以谷殼氣化過(guò)程中產(chǎn)生焦油為研究對象，通過(guò)GC-MS[16]劉春生.小型生物質(zhì)氣化系統的設計與性能實(shí)驗研究[D].江蘇:江蘇對焦油成份進(jìn)行了分析，重點(diǎn)考查了不同溫度對焦油組成的影大學(xué)工程熱物理，2008.響，從而為焦油催化裂解催化劑的開(kāi)發(fā)指明了方向。鮑振博9[17]張長(cháng)森，張瑞芹，生物質(zhì)燃氣中焦油的催化轉化脫除研究[)].安徽農等人分析了生物質(zhì)氣化氣中焦油物理凈化方法(旋風(fēng)分離、濕，比業(yè)科學(xué)，2010, 38(2): 874-876.式凈化、干式凈化)和化學(xué)轉化方法(催化裂解和高溫熱解),[18]吳正舜，米鐵，陳義峰，等.生物質(zhì)氣化過(guò)程中焦油形成機理的研究較不同了焦油處理方法的優(yōu)、缺點(diǎn)及工程應用。張存蘭叫選切，太陽(yáng)能學(xué)報，2010，31(2): 233-236.用不同的吸附劑，比較了不同吸附劑對生物質(zhì)氣化焦油的去除[19]鮑振博，劉玉樂(lè )，靳登超，等。生物質(zhì)氣化氣中焦油的處理方法[1].畜效果，結果表明鋸末吸附法具有原料易得、操作方便、吸附率牧與飼料科學(xué)，2010, 31(3): 196-197.高等優(yōu)點(diǎn)。目前焦油熱裂解與催化裂解研究獲得- - 定的進(jìn)展，(20]張存蘭。不同吸附劑對生物質(zhì)氣化焦油去除效果的影響[J].安徽農業(yè)但距實(shí)用仍有一段距離，因此，要徹底解決焦油問(wèn)題，還應加科學(xué)，2009, 37(18): 8663-8665.大力度研究以獲得一種經(jīng)濟 實(shí)用的處理焦油的方法。5建議(本文文獻格式:陳起朋，曾顯華，胡林順，等.生物質(zhì)氣化我國是一一個(gè)農業(yè)大國，有著(zhù)豐富的生物質(zhì)資源，生物質(zhì)能技術(shù)及進(jìn)展[J].廣東化工，2011, 38(3): 26-27)