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 GENERATION生物質(zhì)氣化新技術(shù)研究進(jìn)民李季1,孫佳偉2,郭利3,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)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[中圖分類(lèi)號]TK111[文獻標識碼]A[文章編號]1002-3364(2016)040001-06[DOI編號]10.3969/j.isn.1002-3364.2016.04.001Research progress on new biomass gasification technologyLI Ji, SUN Jiawei, GUO Li, ZHAI Ming DONG Peng(l. 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, ChinaAbstract: 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 UniQUE 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 application and advantages are pointed out.Key words: biomass gasification, syngas, gasification process, process combination, ultra supercritical gasification, 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、石油和天然氣之后口。在太陽(yáng)存和長(cháng)遠發(fā)展具有重要意義可能、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2。從環(huán)境效益上換成合成氣,合成氣主要由H2,CO,CO2,CH4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:20150624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(2013M3作者簡(jiǎn)介:李季(1972-),女,工程師,主要研究方向為鍋爐潔凈燃燒技術(shù)及其應用1:dong@hit.edu.cnH中國煤化工LBH2120CNMHG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0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?；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1生物質(zhì)氣化工藝免了顆粒夾帶產(chǎn)氣。 UNIQUE氣化工藝將傳統的次和二次熱氣體處理的主要優(yōu)點(diǎn)結合在一起,防1.1緊湊型 UNIQUE氣化工藝止固體顆粒堵塞催化劑,減少了熱能損失。且該工現有的生物質(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CH4,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(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)系統于一體,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FLETGAS氣化爐213催化過(guò)濾器元件到氣化爐的干熬除顆粒和焦油兩段式生物質(zhì)旋風(fēng)高溫熱解氣化爐(圖2)由上段旋風(fēng)髙溫熱解氣化室、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)生的高溫吸附劑或吸附劑混合物1大幅消除HS和其他有害微量元素低氧煙氣噴入熱解室與生物質(zhì)混合,析出生物質(zhì)中物質(zhì)氣體調節的揮發(fā)分,然后將水蒸氣噴入氣化室,通過(guò)水蒸氣的甌質(zhì)烴的初級催化還原水蒸氣催化重整,碳氫化合物和大多數的焦油被轉化成H2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(416。圖3為三級 FLETGAS氣化爐原理。第一級,圖1 UNIQUE氣化工藝Fig. 1 The UNIQUE gasification process加入適當的空氣或水蒸氣,保持揮發(fā)分剛開(kāi)始析出的溫度,產(chǎn)生的焦油含量較高;第二級,在1200℃在 UNIQUE氣化工藝中,生物質(zhì)與水蒸氣在高溫條件下,用水蒸氣重帖焦油: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中國煤化工氣化。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CNMHG步減少焦油。http∥www.rlfd.comcnhttp∥/rfddials. net. cn第4期李季等生物質(zhì)氣化新技術(shù)研究進(jìn)展在第一級中產(chǎn)生的焦炭經(jīng)由氣體密封固體傳輸部分靠性。例如2MW維也納新城熱電廠(chǎng)19直接從第一級輸送到第三級。相比于單級流化15Mw奧地利lch熱電廠(chǎng)2以及5.2MW丹床氣化爐, FLETGAS氣化工藝焦油含量顯著(zhù)降低,麥 Harboore熱電廠(chǎng)[21。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10mg/m3,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6.4MJ/m3。用干燥基計算產(chǎn)氣體積整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(lGCC)發(fā)電工藝是由分數為:N2,55%;C0,13%;CO2,15%;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%;C2H4,2%。代中期IGCC工藝用于煤的氣化。對于采用GCC質(zhì)物料倉螺旋給料機工藝的200~300MW電廠(chǎng)的發(fā)電效率高達W:障排氣管46%21)。理論研究表明,GCC發(fā)電的整體效率可電機高速以達到53%。瑞典生物質(zhì)IGCC工藝已成功應用燃燒器于18MW熱電廠(chǎng)。該廠(chǎng)的電效率為32%,總生產(chǎn)換熱器格解童/燃燒翻效率為83%。由于小汽輪機發(fā)電效率低,IGCC工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,在文丘里管過(guò)去的10年中,生物質(zhì)合成天然氣已經(jīng)獲得越來(lái)越氣化室□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Fig 2 Principle of the two-stage biomass cyclone pyrolysis gasif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永氣=高溫條件下水落氣重焦料2,而且現有的天然氣管道系統為合成天然氣的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氣體流過(guò)炭床進(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)生的合成燃料量較高氣需要凈化和調節,氣體凈化的目的是去除顆粒、焦油、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H2空氣水蒸氣轉化成CH4和H2O。甲烷化反應后,除去H2O和氣水蒸氣CO2以及雜質(zhì)中未反應的H2以達到所需的氣體質(zhì)圖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%2化工藝路線(xiàn)具有較高的靈活性。Djuric Ilic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H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,生錢(qián)中國煤化工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CNMHGhttp:/www.rlfd.comcnhttp:/rlfd.periodicalsnet.cn發(fā)電2016年3生物質(zhì)氣化新技術(shù)本大,效率較低。由于反應溫度高,反應器的壽命也是一個(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212MPa,溫度為374.12℃)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5000K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℃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CH4;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℃時(shí),水作為強氧化劑與碳反應釋放H2201,在流電弧等離子體發(fā)生器2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)原料氣化的主要優(yōu)點(diǎn)是濕生物質(zhì)無(wú)需預干燥,即使液體生物質(zhì)廢棄物也無(wú)需預干燥。超臨界相乏R流體相低溫區臨界點(diǎn)氣體相等離子氣體溫度℃高溫區圖5水相圖L礦渣Fig 5 Phase diagram of water圖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,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H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)數之和高達98%2。題。盡管如此,生物質(zhì)能具有低硫和CO2零排放等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。目前各注入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revew oi濕生物質(zhì)(如污泥等),生物質(zhì)的顆粒尺寸和結構對中國煤化工Renewable and62-2289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CNMHG術(shù)M北京http:www.rlfd.comcnhttp://rlfd.periodicalsnet.cn第4期李季等生物質(zhì)氣化新技術(shù)研究進(jìn)展化學(xué)工業(yè)出版社,2010:22-59[12] HENRIKSEN U, AHRENFELDT J, JENSEN T KDI Mingwei, GA Zhenhua. Modern analytical techet al. The design, construction and operation of a75niques of the biomass material[M]. Beijing: Chemicalkw two-stage gasifier[J]. Energy, 2006. 31(10/11)Industry Press, 2010: 22-59(in Chinese)1542-1553[3]呂學(xué)敏虞亞輝林鵬等典型生物質(zhì)燃料層燃燃燒特[13] GOMEZ-BAREA A, LECKNER B, LANUEVA性的試驗研究[.動(dòng)力工程,2009,29(3):282-286PERALES A, et al. Improving the performance of flu-LV Xuemin, YU Yahui, LIN Peng, et al. grate firingidized bed biomass/waste gasifiers for distributed elec-characteristics of typical biomass fuels[J]. Journal oftricity: A new three-stage gasification system[J]. 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