生物質(zhì)氣化新技術(shù)研究進(jìn)展

第45卷第4期熱力發(fā)電Vol. 45 No. 42016年4月.THERMAL POWER GENERATIONApr. 2016生物質(zhì)氣化新技術(shù)研究進(jìn)展李季',孫佳偉,郭利,翟明3,董芃3(1.中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司熱電廠(chǎng),黑龍江大慶163714;2.哈爾濱理工大學(xué)工程熱物理研究所,黑龍江哈爾濱150080;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001). [摘要]對生物質(zhì)緊湊型UNIQUE氣化工藝和多級氣化工藝進(jìn)行了介紹，并對目前多聯(lián)產(chǎn)工藝路線(xiàn)進(jìn)行了說(shuō)明,分析了等離子體氣化和超臨界水氣化等生物質(zhì)新型氣化技術(shù)原理,指出了等離子體氣化主要應用于廢物處理,其優(yōu)勢是產(chǎn)氣中H2和CO含量高,CO2和焦油含量低,熱值高;超臨界水氣化的主要優(yōu)點(diǎn)是濕生物質(zhì)無(wú)需預干燥。[關(guān)鍵詞]生物質(zhì)氣化;合成氣;氣化工藝;多聯(lián)產(chǎn);超臨界水氣化;研究進(jìn)展[中團分類(lèi)號] TK111 [文獻標識碼]A [文 章編號] 1002-3364(2016)04-0001-06[DOI編號] 10. 3969/j. issn. 1002-3364. 2016. 04. 001Research progress on new biomass gasification technologyLI Ji' ,SUN Jiawei? ,GUO Li ,ZHAI Ming3 ,DONG Peng3(1. Thermal Power Plant of Daqing Petrochemical Company ,China National Petroleum Corporation,Daqing 163714,China;2. Institute of Engineering Thermophysics,Harbin University of Science and Technology , Harbin 150008 ,China;3. School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001 ,China)Abstract: Biomass gasification has high potential and can realize high efficient utilization of biomass. By gas-ification,all different types of biomass can be converted into syngas comprising hydrogen , carbon monox-ide ,carbon dioxide and methane, thus to increase the biomass utilization ratio. In this paper ,the compact U-NIQUE gasification process of biomass gasification and multistage gasification process are introduced , andthe current polygeneration process route is illustrated. The principle of new biomass ga ification technologysuch as Plasma gasification and supercritical water gasification are analyzed. The present situation of its ap-plication and advantages are pointed out.Key words : biomass gasification, syngas, gasification process, process combination, ultra supercritical gasifi-cation, research progress生物質(zhì)能在世界能源供應中超過(guò)10%,為四大害物質(zhì)或改變自然界的生態(tài)平衡,對今后人類(lèi)的生能源之一,位于煤炭、石油和天然氣之后”。在太陽(yáng)存和長(cháng)遠發(fā)展具有重要意義[34。能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等可再生能源中,生物質(zhì)能在其生物質(zhì)范圍廣泛,包括不同類(lèi)型的生物材料,如他能源供給不足時(shí)可予以輔助。木材、農業(yè)殘余物、食品工業(yè)的廢物、藻類(lèi)和污泥等。目前，由于化石能源漸趨枯竭,發(fā)展生物質(zhì)能已原則上,所有不同類(lèi)型的生物質(zhì)均可以通過(guò)氣化轉成為許多國家的重要發(fā)展戰略[1。從環(huán)境效益上換成合成氣,合成氣主要由H2,CO,CO2,CH, 組看,利用生物質(zhì)能可以實(shí)現CO2的零排放,從根本成。制約生物質(zhì)氣化發(fā)展的主要問(wèn)題包括:1)焦油上解決能源消耗帶來(lái)的溫室效應,并且不會(huì )遺留有含量;2)產(chǎn)氣熱值;3)二次污染;4)經(jīng)濟效益。為了收稿日期: 2015-06-24基金項目:國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(51206032);中國博士后基金(2013M31037) ;黑龍江省博士后資助項目(LBH-Z12101)作者簡(jiǎn)介:李季(1972- -),女,工程師，主要研究方向為鍋爐沽凈燃燒技術(shù)及其應用。E-mail: dongp@hit. edu. cn熱力發(fā)電2016年促進(jìn)生物質(zhì)氣化高效利用,需要有先進(jìn)的理念最大器元件[10]直接集成在流化床蒸氣氣化爐的稀相段，化地提高合成氣產(chǎn)量,優(yōu)化生物質(zhì)產(chǎn)氣質(zhì)量,提高生用于去除顆粒和焦油,從而獲得清潔合成氣。因為物質(zhì)氣化整體工藝效率[57]?；诖?本文對生物質(zhì)無(wú)冷卻步驟,催化劑和吸附劑的活性增加,同時(shí)在整氣化新技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行概述.個(gè)轉換過(guò)程中保持較高的熱效率,在反應器出口避免了顆粒夾帶產(chǎn)氣。UNIQUE氣化工藝將傳統的1生物質(zhì)氣化工藝一次和二次熱氣體處理的主要優(yōu)點(diǎn)結合在- -起，防止固體顆粒堵塞催化劑,減少了熱能損失。且該工1.1 緊湊型UNIQUE氣化工藝現有的生物質(zhì)氣化廠(chǎng)通過(guò)對生物質(zhì)過(guò)濾和洗滌藝將催化過(guò)濾和生物質(zhì)氣化集成在一個(gè)反應器,可來(lái)減少產(chǎn)氣中顆粒(焦炭、灰)和焦油的含量。用這以促進(jìn)焦油轉化，有效減少微粒,產(chǎn)出高純度的氣種方式可在溫度接近室溫時(shí)制取清潔燃料氣,但產(chǎn)體。即使在中小規模的發(fā)電廠(chǎng),UNIQUE氣化發(fā)電氣率低。制取的燃料氣大多數用于燃氣輪機發(fā)電，效率也較高。其氣電轉換效率低,約為25%[8,且去除焦油的效1.2多級氣化工藝果也較差,產(chǎn)生的廢水難以正?；厥?。氣化是通過(guò)使用氣化劑轉換生物質(zhì)中含碳材在生物質(zhì)氣化過(guò)程中,高溫氣體凈化和催化技料，包括加熱、干燥、熱解,氧化和還原幾個(gè)重疊的過(guò)術(shù)是促進(jìn)生物質(zhì)高效氣化的關(guān)鍵。該技術(shù)在較高的程。這些過(guò)程使得生物質(zhì)氣化難以在單級氣化爐中溫度范圍內進(jìn)行生物質(zhì)轉換與氣體處理，以保持生進(jìn)行控制和優(yōu)化。此外，熱解氣和焦炭之間的相互物質(zhì)氣體的熱能。在利用高溫水蒸氣氣化時(shí),為避作用可能對氣化產(chǎn)生負面影響"。因此,焦炭氣化免氣體冷凝而損失大量水蒸氣，需要重整CH,將反應應在無(wú)揮發(fā)分的條件下進(jìn)行，以提高氣化效率。其轉變?yōu)镃O和H2,防止碳沉積在催化劑表面。為目前,熱解和氣化可以獨立控制，也可以在-一個(gè)多級此,歐洲多家研究機構聯(lián)合研發(fā)了UNIQUE氣化氣化過(guò)程中聯(lián)合控制。與單級氣化相比,多級氣化工藝9](圖1),其集生物質(zhì)氣化、熱產(chǎn)氣凈化和調節過(guò)程可以降低焦油含量和提高產(chǎn)氣純度,并且整個(gè)系統于--體,實(shí)現了現有的生物質(zhì)氣化設施的技術(shù)氣化過(guò)程的效率和產(chǎn)氣的質(zhì)量和數量均得到增強。創(chuàng )新。目前研發(fā)的分離熱解和氣化區的氣化工藝設備有:哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的兩段式生物質(zhì)旋風(fēng)高溫熱解清洗合成氣氣化爐和西班牙Sevilla 大學(xué)研發(fā)的三級FLET-一+TGAS氣化爐[12-13]。催化過(guò)濾器元件到氣化爐的干舷兩段式生物質(zhì)旋風(fēng)高溫熱解氣化爐(圖2)由上用于去除顆粒和焦油段旋風(fēng)高溫熱解氣化室、下段水蒸氣噴淋熱解氣化室、氣體燃料高速燃燒器、螺旋給料機和灰渣箱等組成。運行時(shí),高速燃燒器燃燒燃氣后,所產(chǎn)生的高溫一大幅消除H,S和其他有告做量元素低氧煙氣噴人熱解室與生物質(zhì)混合,析出生物質(zhì)中氣體調節的揮發(fā)分,然后將水蒸氣噴人氣化室,通過(guò)水蒸氣的重質(zhì)烴的初級催化還圖催化重整,碳氫化合物和大多數的焦油被轉化成H2水蒸氣和CO,這樣在不降低產(chǎn)氣效率的前提下,提高了燃氣品質(zhì),降低了焦油含量。獲得的產(chǎn)氣經(jīng)換熱器把水加熱為水蒸氣,通入氣化室用于生物質(zhì)焦的氣化反應,實(shí)現熱量的自給,提高了生物質(zhì)利用率和產(chǎn)氣灰和廢氣熱值1416]。圖3為三級FLETGAS氣化爐原理。第一級，圖1 UNIQUE氣化工藝加入適當的空氣或水蒸氣，保持揮發(fā)分剛開(kāi)始析出Fig. 1 The UNIQUE gasification process的溫度,產(chǎn)生的焦油含量較高;第二級,在1 200 C在UNIQUE氣化工藝中,生物質(zhì)與水蒸氣在.高溫條件下,用水蒸氣重整焦油;第三級,在移動(dòng)床流化床內發(fā)生氣化反應,通過(guò)氣體調節系統大幅消下吸式氣化爐中將第-級產(chǎn)生的焦炭氣化。流過(guò)炭減產(chǎn)氣中H2S和其他有害微量元素,并且催化過(guò)濾床的第二級的氣體用作催化劑，以進(jìn)一步減少 焦油。http: // www. rld. com. cn http: // rlfd. periodicals. net. cn第4期李季等生物質(zhì)氣化新技術(shù)研究進(jìn)展3在第一級中產(chǎn)生的焦炭經(jīng)由氣體密封固體傳輸部分靠性18。 例如2 MW維也納新城熱電廠(chǎng)(09]，直接從第一級輸送到第三級[”。相比于單級流化15 MW奧地利Villach 熱電廠(chǎng)[20以及5.2 MW丹床氣化爐,FLETGAS氣化工藝焦油含量顯著(zhù)降低，麥 Harbore熱電廠(chǎng)(2]。這些熱電廠(chǎng)總工藝效率約三級FLETGAS氣化爐在標準狀態(tài)下焦油質(zhì)量濃為90% ,生物質(zhì)發(fā)電率為25%~31%,其所生產(chǎn)的度為10 mg/m'，炭轉化率為98%， 氣化效率為熱主要用于周?chē)貐^供熱。81% ,熱值為6.4 MJ/m'。用干燥基計算產(chǎn)氣體積整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電工藝是由一分數為:Nz, 5%;CO, 13%;COr,15%;CH,4%;個(gè)燃氣輪機和一 個(gè)汽輪機組合發(fā)電,20世紀90年H2 ,8% ;C2 He ,2%。代中期1GCC工藝用于煤的氣化。對于采用IGCC工藝的200~ 300 MW電廠(chǎng)的發(fā)電效率高達中WW排氣管46%2。理論研究表明,1GCC發(fā)電的整體效率可電機燃燒器以達到53%。瑞典生物質(zhì)IGCC工藝已成功應用于18 MW熱電廠(chǎng)。該廠(chǎng)的電效率為32%,總生產(chǎn)20* ~30°換熱器效率為83%。由于小汽輪機發(fā)電效率低,IGCC工熱解室藝更適合在大型電廠(chǎng)中應用。2.2 合成天然氣、熱電合成聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)在高溫條件下氣化產(chǎn)生合成天然氣,在氣化室文丘里管日過(guò)去的10年中,生物質(zhì)合成天然氣已經(jīng)獲得越來(lái)越I灰渣箱給水泵多的關(guān)注,一些研究群體已對其進(jìn)行了研究,例如荷圖2兩段式生物質(zhì)旋風(fēng)熱解氣化爐蘭能源研究中心(ECN)和瑞士Paul-Scherrer研究Fg2 Principle of the two-stage biomass cyclone pyrolysis gasifler所(PSI)。生物質(zhì)合成天然氣是一種可再生的清潔燃料,可以在供暖、熱電聯(lián)產(chǎn)和運輸方面替代化石燃料2),而且現有的天然氣管道系統為合成天然氣的水然氣司高溫條件下,水蒸氣重整焦油運輸和儲存提供了優(yōu)勢。Kopyscinski等人[23]在絕熱式固定床反應器對煤或生物質(zhì)制備合成天然氣整個(gè)工藝過(guò)程中的甲烷低溫條件下，進(jìn)一步減少化過(guò)程進(jìn)行了綜述。甲烷化反應之前所產(chǎn)生的合成含量較商二2焦油燃料8氣體密封氣需要凈化和調節,氣體凈化的目的是去除顆粒、焦固體傳遞油、堿和硫,氣體調節通常包括水氣轉化反應,需要H2與CO體積比超過(guò)3。甲烷化反應使CO和H2myl空氣水蒸氣轉化成CH和H2O。甲烷化反應后,除去H2O和空氣心水蒸氣.售CO2以及雜質(zhì)中未反應的H2以達到所需的氣體質(zhì)圈3三級 FLETGAS氣化爐原理量分數,該方法詳見(jiàn)文獻[23]。Fig.3 Principle of the three-stage FLETGAS gasifier2.3生物燃料、 熱電合成聯(lián)產(chǎn)2多聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)氣化生物燃料如柴油、二甲醚和甲醇,是一-種可再生的清潔燃料,可以在發(fā)電和供熱方面替代化石燃料。多聯(lián)產(chǎn)是指至少兩種產(chǎn)品的聯(lián)合生產(chǎn)。多聯(lián)產(chǎn)與合成天然氣相比,液體生物燃料相對容易輸送。生物質(zhì)氣化的合成氣可轉化成電、熱、氣體或液體燃液體生物燃料熱電聯(lián)產(chǎn)具有高工藝靈活性,且工藝料和化學(xué)品,考慮市場(chǎng)需求的變化,多聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)氣效率高達約90%[e4]?；に嚶肪€(xiàn)具有較高的靈活性。DjuricIlic等研究得出生物燃料、熱電合成聯(lián)產(chǎn)2.1熱電聯(lián)產(chǎn)比生物燃料單機生產(chǎn)減排溫室氣體效果更好。不同生物質(zhì)氣化熱電聯(lián)產(chǎn)于20世紀90年代開(kāi)始啟.的技術(shù)經(jīng)濟分析表明，生物燃料比化石燃料的生產(chǎn)用。近年來(lái),生物質(zhì)氣化熱電聯(lián)產(chǎn)有很多成功的案成本高,生物燃料必須通過(guò)政府補貼和稅收支持以例,充分證明了生物質(zhì)氣化熱電聯(lián)產(chǎn)整體技術(shù)的可保持其競爭力l5)。http: // www. rlfd. com. cn http: // rlfd. periodicals. net. cn4熱力發(fā)電2016年本大,效率較低。由于反應溫度高,反應器的壽命也3生物質(zhì)氣化新技術(shù)是一個(gè)問(wèn)題。3.1 等離子氣化3.2超臨界水氣化在等離子發(fā)生器中,氣體分子通過(guò)放電電離。圖5為水相圖。水在超臨界狀態(tài)-高于臨界由于等離子體中電子、離子和氣體具有高能量密度，點(diǎn)(壓力為22.12 MPa,溫度為374. 12 C)時(shí)作為溶所以等離子體具有較高反應性。等離子發(fā)生器通常劑和反應物均具有獨特的性質(zhì)。有機材料和氣體在采用直流放電、交流放電、射頻感應放電或微波放電超臨界水中溶解度顯著(zhù)增加，而無(wú)機材料的溶解度以產(chǎn)生等離子體。在真空壓力下產(chǎn)生冷等離子體，降低。在超臨界水中生物質(zhì)氣化過(guò)程包括高溫分而在大氣壓下產(chǎn)生熱等離子體。熱等離子體的溫度解、異構化、脫水、裂化、濃縮、水解、蒸汽重整、甲烷可以達到5 000 K甚至更高?；?、水氣轉化等反應過(guò)程。生成的氣體主要成分是等離子氣化工藝主要包括原料的預處理、氣化、H2,CH和CO2。氣化反應溫度低于450 C時(shí),所合成氣的凈化、熱回收以及產(chǎn)品利用。圖4為一個(gè)生成的氣體的主要成分是CH,;氣化反應溫度高于等離子氣化反應器,其中反應室連接一個(gè)非轉移直600 C時(shí),水作為強氧化劑與碳反應,釋放H2[28],在流電弧等離子體發(fā)生器[26]。超臨界水中生物質(zhì)氣化促進(jìn)水氣轉化反應,提高了生物質(zhì)氣化效率和H2產(chǎn)量。在超臨界水中生物質(zhì)氣化的主要優(yōu)點(diǎn)是濕生物質(zhì)無(wú)需預干燥,即使液體凸個(gè)的ar生物質(zhì)廢棄物也無(wú)需預干燥。50r0超臨界相30+流體相低溫區!出2臨界點(diǎn)相100200 300 400 500 600后子溫度/C鄉高溫區圈5水相圉Fig.5 Phase diagram of water團4等離子體氣化反應器4結語(yǔ)Fig.4 Principle of the plasma gasification reactor本文介紹了國內外生物質(zhì)氣化新技術(shù)的研究進(jìn)中國科學(xué)院廣州能源研究所在熱等離子體提供展分析了阻礙生物質(zhì)氣化技術(shù)商業(yè)化運行的主要的高溫、高能量反應環(huán)境中,進(jìn)行了生物質(zhì)的快速熱因素。雖然生物質(zhì)氣化技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)解氣化研究。等離子體熱解產(chǎn)物由固體殘渣和氣體步,但與傳統煤氣化技術(shù)相比,尚存在焦油含量偏組成,無(wú)焦油存在。合成氣中H2和CO的體積分高轉化率低、氣體中雜質(zhì)成分復雜、經(jīng)濟性差等問(wèn)題。盡管如此,生物質(zhì)能具有低硫和CO2零排放等數之和高達98%2。等離子氣化主要的應用是廢物處理。把生物質(zhì)諸多優(yōu)點(diǎn),許多國家已將其列為重點(diǎn)項目。目前,各注人等離子體氣化反應器,在幾毫秒內發(fā)生氣化,在國大力推進(jìn)生物質(zhì)氣化技術(shù)的應用和發(fā)展，與其他非常高的溫度條件下并無(wú)任何中間反應。氣化爐產(chǎn)能源行業(yè)相比,呈現出蓬勃發(fā)展和交叉發(fā)展的態(tài)勢。出的合成氣溫度較高,需要快速冷卻,以防止產(chǎn)生二[參考文獻]惡英和呋喃。等離子體氣化的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)氣H2和[1] SAIDUR R, ABDELAZIZ E A, DEMIRBAS A,et al. ACO含量高,CO2和焦油含量低,熱值高,并可用于review on biomass as a fuel for bilers[J]. Renewable and濕生物質(zhì)(如污泥等),生物質(zhì)的顆粒尺寸和結構對Sustainable Energy Reviews, 2011,15(5) :2262 -2289.其無(wú)影響。缺點(diǎn)是等離子體的電力消耗高,投資成2] 邸明偉,高振華.生物質(zhì)材料現代分析技術(shù)[M].北京:http: i/ www. rlfd. com. cn http: // rlfd. periodicals. net. cn6熱力發(fā)電2016 年[22]陳元國.生物質(zhì)基合成氣合成低碳醇工藝研究[D].鄭Journal of Electrostatics,2013,71(5) :839-847.州:鄭州大學(xué),2012:1-17.[27]趙增立,李海濱,吳創(chuàng )之，等.生物質(zhì)等離子體氣化研究CHEN Yuanguo. The process study of producing low-[J].太陽(yáng)能學(xué)報,2005 ,26(4) :468-472.carbon alcohol from biomass synthesis gas[D]. Zheng-ZHAO Zengli, LI Haibin, WU Chuangzhi,et al. Thezhou:Zhengzhou University,2012:1-17.study on the plasma gasification of biomass[J]. Acta[23] KOPYSCINSKI J, SCHILDHAUER T J, BIOLLAZEnerglae Solaris Sinica, 2005 ,26(4) :468-472.SMA. Production of synthetic naturalgas (SNG) from[28] GUO Y,WANG S Z,XU D H,et al. 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