生物質(zhì)氣化的應用與研究

第26卷第6期可再生能源Vol.26 No.6 ，2008年12月Renewable Energy ResourcesDec.2008生物質(zhì)氣化的應用與研究趙連臣，李曉偉，王貴路,李繼祥，張大雷(遼寧省能源研究所，遼寧營(yíng)口15000)摘要:生物質(zhì)能是一種重要 的可再生能源,利用生物質(zhì)氣化技術(shù)能實(shí)現CO,的減排.節約常規能源符合可持續發(fā)展的要求。文章介紹了自1664年Thomas shirly進(jìn)行氣化試驗以來(lái),歷經(jīng)幾百年的發(fā)展,牛物質(zhì)氣化T藝和相關(guān)氣化裝覺(jué)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步:闡述了近幾十年來(lái)我國在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域的發(fā)展歷程和取得的研究成果;對生物質(zhì)的氣化機理、氣化裝置結構生物質(zhì)氣化技術(shù)的推廣與應用.開(kāi)發(fā)前景與經(jīng)濟效益進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化技術(shù);氣化機理中圖分類(lèi)號: S216.2; TK6文獻標志碼: A文章編號: 1671-5292(2008 )06- 0055-04The research and utilization on biomass gasificationZHAO Lian-chen, LI Xiao-wei, WANG Gui-lu, LI Ji-xiang, ZHANG Da-lei(Liaoning Institute of Energy Resources , Yingkou 115000,Cnina)Abstract: The biomass is a sort of renewable energies which could be used with gasification tech-nology to realize reducing of carbon dioxin emission and saving of the traditional energy resourcesfor the purpose of sustainable development. In this paper, authors have reviewed and studied sincethe early gasifying tests carried out by Themas Shirly in 1664 and a great progress had been ob-tained so far in the biomass gasification in the fields of the gasification mechanism within hundredsyears. And inter alia our country has emphasized on the development of biomass gasification tech-nologies and a deal of achievements had been received as well within recent 30 years. In the paper,the chemical process , structure & its optimization of gasification equipments, developmental futureand the economy well being have also been discussed on the basis of research achieves and devel-oping process.Key words: biomass; gasification technology ; gasification mechanism?前言年,Thomasshirley就進(jìn)行過(guò)簡(jiǎn)單的氣化試驗|+1。生物質(zhì)能具有可再生、低污染、分布廣泛等特20年后,DeanClayton進(jìn)行了高溫氣化嘗試,用高點(diǎn),開(kāi)發(fā)利用可再生資源是我國能源可持續發(fā)展溫熱解法制出了煤氣。1792年,Murdock應用氣化的一個(gè)主要方向"。以氣化方式實(shí)現低品位生物產(chǎn)物進(jìn)行照明。此后的100多年里,人們在這一領(lǐng)質(zhì)能源的深層次利用，減少礦物燃料的供應量和.域內不斷探索，做了大量的研究工作。1861 年，直接燃用礦物燃料給環(huán)境帶來(lái)的嚴重污染，對提Siemens式氣化爐正式投放市場(chǎng)，該產(chǎn)品的出現，高農村生活水平、改善生態(tài)環(huán)境、保障國家能源安在氣化技術(shù)研究領(lǐng)域最具有突破意義。至此,氣化全等具有重要意義4.3。技術(shù)作為一項能源轉換技術(shù)，已被人們認可和接1國內外的研究歷 史及現狀受,并走上了進(jìn)一步發(fā)展的道路。生物質(zhì)氣化技術(shù)有著(zhù)悠久的歷史,早在166420世紀30年代末到50年代初，在歐洲及其收稿日期: 2008-02-10作者簡(jiǎn)介;趙連臣(1968-).男，高級工程師，主要從事CDM椎廣工作。E-mail:bjb2@Inenys.com.55.可再生能源.2008 .26(6)殖民地有數萬(wàn)個(gè)小型氣化爐在運行(其中法國床和流化床氣化爐得到了不同程度的開(kāi)發(fā)和應用。4500個(gè)，,意大利2000個(gè))。隨著(zhù)石油冶煉、運輸2氣化原理與裝置技術(shù)的進(jìn)步和前蘇聯(lián)、美國、中東石油大舉進(jìn)人市2.1氣化原理”場(chǎng)，石油價(jià)格不斷下降，石油被廣泛地應用于生氣化的基本原理是被氣化物所含的周體碳，活、生產(chǎn)中,生物質(zhì)氣化技術(shù)因此在歐美等發(fā)達國在特定的條件下向一氧化碳轉化的熱化學(xué)過(guò)程。家基本失去了市場(chǎng)。第二次世界大戰爆發(fā)后,化石因此,生物質(zhì)氣化技術(shù)包含2個(gè)內容,即熱化學(xué)過(guò)能源被大量地應用于軍事，石油危機也因此而出程和保證熱化學(xué)過(guò)程順利進(jìn)行所需條件的裝置?，F,人們認識到化石能源不可再生、分布不均的弱熱化學(xué)過(guò)程是相當復雜的，下述化學(xué)反應式可以點(diǎn)會(huì )制約國家的安全和發(fā)展，于是生物質(zhì)氣化技近似地描述該過(guò)程"0:術(shù)作為一種穩定的、可靠的能源開(kāi)發(fā)技術(shù)被重新C+02←+C02+394 kJ(1)提上日程,并且發(fā)展迅速。20世紀70年代,美國、C+CO2←+2C0-172kJ(2)日本、加拿大、歐盟等開(kāi)始了生物質(zhì)熱裂解氣化技H20+C0←+C2+H2-2.89 kJ(3)術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，到20世紀80年代，美國已有H20+C←→C0+H2-175 kJ(4)19家公司和研究機構從事生物質(zhì)熱裂解氣化技C+2H←+CH+75 kJ(5)術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，美國可再生能源實(shí)驗室和夏威在上述5個(gè)化學(xué)反應式中,式(1)是至關(guān)重要夷大學(xué)還進(jìn)行了生物質(zhì)燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統的,通過(guò)式(1)的氧化反應所放出的熱量使爐內的(BIGCC)的研究間。荷蘭twente大學(xué)進(jìn)行了流化床溫度升高，保證其余反應能夠順利進(jìn)行。試驗表氣化器和焦油催化裂解裝置的研究，推出了無(wú)焦明，溫度是衡量氣化過(guò)程進(jìn)行順利與否的一個(gè)重油氣化系統，還開(kāi)展了將生物質(zhì)轉化為高氨燃氣、要影響因素。要使氣化過(guò)程順利地進(jìn)行,能量的供生物質(zhì)油等高品質(zhì)燃料的研究,并結合燃氣輪機、給是必不可少的，裝置內反應區的溫度對氣體中斯特林發(fā)動(dòng)機、燃料電池等轉換方式，將生物質(zhì)轉可燃成分的比例以及氣化強度有重要影響。隨著(zhù)化為電能。在應用方面,國外的生物質(zhì)氣化技術(shù)和反應溫度的升高,氣化速率隨之加快,CO2含量減裝置大多實(shí)現了規?；a(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)，美國的生物質(zhì)少，可燃成分增加。如將上述5個(gè)化學(xué)反應式相能消耗量占其一次能源消耗量的4%，瑞典占加,則得:16%，奧地利占10%。 在美國,生物質(zhì)發(fā)電的總裝4C+O2+2H20- +CO2+2C0+CH4+121kJ (6)機容量已超過(guò)10000 MW ,單機容量達10-25 MW。式(6)表明,當75%的C元素被氣化為可燃我國在生物質(zhì)氣化技術(shù)研究領(lǐng)域起步較晚，氣體后 ,余下的121 kJ熱量已不足以驅動(dòng)反應式雖然在20世紀40年代就開(kāi)發(fā)出用木炭氣化爐產(chǎn)(2), (4)的進(jìn)行,而反應式(3),(5)因為沒(méi)有CO,氣驅動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)，但是由于種種原因生物質(zhì)氣H2也不能進(jìn)行，因此氣化效率的最高值為75%左化技術(shù)未能取得進(jìn)- - 步發(fā)展。直至20世紀80年右，余下的熱量主要消耗在空氣和原料的升溫過(guò)代,受能源緊張和環(huán)境問(wèn)題的影響，我國才重新開(kāi)程中，氣體和灰分也帶出了大量的熱。始了生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究工作，并建立了一支2.2氣化裝置專(zhuān)門(mén)從事生物質(zhì)氣化技術(shù)研究的隊伍，其中中國完成氣化反應的裝置稱(chēng)作氣化爐。按床體的科學(xué)院廣州能源研究所.中國農機院、山東省科學(xué)結構可將氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化院能源研究所、中國林科院林產(chǎn)化工研究所、遼寧爐2種。根據原料與氣化劑在爐內的走向，可將固省能源研究所等單位在各自的研究領(lǐng)域中做出了定床氣化爐分為上吸式、下吸式.橫吸式、開(kāi)心式自己的貢獻。1981 年，由江蘇省糧食局與紅巖機4種形式。表1為上吸式氣化爐爐內的分區情況。器廠(chǎng)聯(lián)合研制成功了我國第1臺160kW稻殼氣圖 1是上吸式氣化爐的示意圖，按反應溫度可將化發(fā)電裝置; 1998年，第1臺功率為1 MW的循氣化過(guò)程分為4個(gè)階段,4個(gè)氣化階段在爐體內4環(huán)流化床氣化裝置與內燃機發(fā)電機組配套的稻殼個(gè)不同區域內進(jìn)行。由于結構不同,各種氣化爐的氣化發(fā)電機組在福建莆田華港米業(yè)公司的碾米廠(chǎng)分區情況有所不同,流化床爐內溫度均衡,其內部成功運行。在這20多年里,多種較為成熟的固定分區情況不十 分明顯。.56.趙連臣,等生物質(zhì)氣化的應用與研究表1上吸式氣化爐氣化反應分區情況可用于藥品、果品、茶葉、谷物的烘干。實(shí)踐表明,Table 1 Temperature distribution in updraft gsifer生物質(zhì)氣化氣用于干燥,具有火力強、升溫快的特反應溫度/C反應類(lèi)型反應過(guò)程干燥區100-200物理過(guò)程 濕生物質(zhì)+熱量干生物質(zhì)+水氣點(diǎn),與電或蒸汽等熱源相比,具有明顯的節支、節熱解區200-500干餾過(guò)程 干生物質(zhì)+熱量→焦炭+C02+CO+能效果。氣化爐還可與專(zhuān)用小型鍋爐匹配,為中小還原反應H0+CH4+C+C;H+焦油+焦 木酸企業(yè)供暖,經(jīng)濟實(shí)用;生物質(zhì)氣化氣也可用于農村氯化區800-1200氧化反應 C+O+HL0O →2CO+H+C0+熱量集中供氣，如遼寧省能源研究所研制的生物質(zhì)氣還原區500-800還 原反應CO+C-+C0,C+2H2 +CH化集中供氣供暖系統已經(jīng)被廣泛應用，極大地改↓原料善了農村地區的衛生環(huán)境和居民的生活水平。(2)氣化發(fā)電酸除本分生物質(zhì)氣化氣經(jīng)凈化后可用于發(fā)電。在我國，生物質(zhì)<賽發(fā)分氣化發(fā)電技術(shù)已進(jìn)人實(shí)用階段。須要強調的是,低C+H0 -H+CO熱值燃氣發(fā)動(dòng)機的研制尚不能滿(mǎn)足實(shí)際需求,其原因主要是投資高,效益不明顯,因此使科研工作300100 7w 500 300監度T(KI的深度和廣度一時(shí)難如人意。這項技術(shù)的進(jìn)展將圈1上吸式氣化爐示意圈為電力缺乏或國家電網(wǎng)無(wú)法達到的地區，提供一Fig.l Schemetic of updraft gasifer個(gè)新的選擇。氣化爐爐型不同，其生產(chǎn)性能和產(chǎn)氣用途也4開(kāi)發(fā)前景與經(jīng)濟效益不盡相同。一般來(lái)說(shuō),直接燃燒對氣體質(zhì)量要求較利用生物質(zhì)能可以實(shí)現CO2的零排放,從根低,氣化發(fā)電對氣體質(zhì)量要求較高,特別是對氣體本上解決使用化石能源帶來(lái)的溫室效應問(wèn)題。開(kāi)內焦油含量要求較為嚴格(表2)。發(fā)利用生物質(zhì)能有利于改善生態(tài)環(huán)境，不會(huì )遺留表2不同構造的氣化爐的主要性能指標有害物質(zhì)或改變自然界的生態(tài)平衡，對人類(lèi)的可Table 2The main characeristics of gasiliers of dfferent structure持續發(fā)展具有重要意義，很多國家把生物質(zhì)能利氣化爐類(lèi)型上吸式下吸式層式流化床用技術(shù)作為一項重要的能源技術(shù)來(lái)發(fā)展。原料粒度/mm 5 -10020-100 40-80<10我國農村地區目前仍以生物質(zhì)能為主要能原料含水率/% <60<1<<20熱效率低中源,能源轉換技術(shù)落后,效率低下且污染環(huán)境,農生產(chǎn)強度高很高民生活質(zhì)量難以提高,迫切要求改善燃料結構,提氣化焦油含量最少較高高能源利用效率。我國生物質(zhì)能資源極為豐富,每氣體用途直接燃燒燃燒、發(fā)電發(fā)電發(fā)電、供氣年秸稈產(chǎn)量約6億t,相當于4億t標準煤。薪柴3生物質(zhì)氣化技術(shù)的推廣 與應用和林業(yè)廢棄物數量也很大,僅林業(yè)廢棄物(不包括我國農林生物質(zhì)資源十分豐富，農作物秸稈薪炭林)的產(chǎn)量就達3700萬(wàn)m/a,相當于2000總產(chǎn)量約6億ta,除用于造紙、畜牧飼料、還田肥萬(wàn)t標準煤。如果考慮日益增多的城市垃圾、生活料、工業(yè)原料及炊事燃料外，可作為能源加以利用污水、禽畜糞便等其它生物質(zhì)資源,我國每年的生的秸稈總量約3億tll"。此外,還有許多以生物物質(zhì)資源量達6億t標準煤以上。由于這些廢棄質(zhì)為原料的各類(lèi)生產(chǎn)企業(yè)，在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大物品位低,分布面廣,往往被隨地堆放或燒毀,既量的生物質(zhì)廢棄物。生物質(zhì)廢棄物的有效利用,對浪費資源又危害環(huán)境。如應用生物質(zhì)氣化技術(shù)將防止污染,回收資源,改善環(huán)境具有重要意義。生這些生物質(zhì)資源轉變?yōu)楦咂肺荒茉醇右岳?對物質(zhì)氣化氣是一種低熱值可燃氣，主要有2個(gè)應緩解能源緊張,改善生態(tài)環(huán)境將起到重要作用。因用領(lǐng)域。此,生物質(zhì)氣化技術(shù)有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。(1)直接用作燃料5存在的問(wèn)題和對 策生物質(zhì)氣化氣可用于木材干燥,氣化氣燃燒產(chǎn)5.1 氣化氣成本問(wèn)題生的干熱氣體直接進(jìn)入干燥窯烘千木材，無(wú)需換由于供氣規模較小，生物質(zhì)氣化輔助系統的熱設備,比老式窯爐節能50%以上,與換熱器匹配投資遠遠大于氣化系統的運行成本，從而使得氣.57.可再生能源2008 .26(6)化氣的成本較高,與現有的煤氣相比優(yōu)勢不明顯。應器試驗研究[J化學(xué)T程.2003( 10):26-31.要降低氣化氣的生產(chǎn)成本，一是盡可能提高氣化2] 閆麗珍.閔慶文。成升魁中國農村生活能源利用與生氣的熱值,二是擴大氣化氣的供氣規模。物質(zhì)能開(kāi)發(fā)|資源科學(xué).2005<(1):8-13.[31 鄧立新生 物質(zhì)的潔凈轉化和綜合利用J.化學(xué)教育,5.2焦油問(wèn)題2004(2):10-12.焦油是影響氣化氣使用的最大障礙。氣化氣[4] ALBRECHT KAUPP JOHN R.Goss small scale gas中存在焦油，不但使氣化發(fā)電系統與供氣系統無(wú)prnducer -enpgine systems|M]. W ieshuden:V ieweg.1984.法長(cháng)期穩定運行,還會(huì )引起二次污染。徹底解決焦[5] L P WHITE. K G PLASKETT.Biomass as fullM].Lon-油問(wèn)題的方法就是把焦油裂解為永久性氣體。目don: Academie press,1981.前已有焦油熱裂解與催化裂解的試驗，但距實(shí)際[6] W PAIZ. P CHARTIFR. Energy from biomass in Eu-應用仍有一段距離。rope[Ml.london: Greal Briain Press,1980.5.3二次污染問(wèn)題[7] W RAMSAY SMITH. Energy from forest biomass([M],生物質(zhì)氣化發(fā)電在經(jīng)濟上有較大優(yōu)勢,但灰New York: Academie Press, 1982.及廢水污染問(wèn)題仍沒(méi)有徹底解決，成為推廣氣化[8] C0OK J,BEYEA J. Bioenergy in the Uniled States:propgtess and pssilitisi J].Biomass and Bioenergy,發(fā)電技術(shù)的主要障礙?；椅廴締?wèn)題的處理辦法比200.18.441-445.較簡(jiǎn)單，只要提高氣化效率,并對灰進(jìn)行煅燒處[9] 張百良.農村能源 I程學(xué){M].北京:中國農業(yè)出版社,理,即可消除灰污染。水洗除焦產(chǎn)生的廢水則比較1999.難處理,根本方法就是減少焦油的產(chǎn)生。[10]馬降龍生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應川[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2003.參考文獻:[I中國農機學(xué)會(huì )科技交流中心農作物秸稈利用技術(shù)與[川| 米鐵.張春林.劉武標，等.流化床作為生物質(zhì)氣化反設備|M.北京:農業(yè)出版社, 1996.(上接第54頁(yè))[12] FREDA R H, INES H, GODFREY K, el al. 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Binlogical hydrogen production in a沼氣池超過(guò)500萬(wàn)口。UASB reactor with granules l:yscochemiral charac-實(shí)踐證明,發(fā)展農村沼氣工程,既能有效解決農民↓teristics of hydrogen-produring granules[J).Biotechnol-生活能源問(wèn)題,又能獲得農業(yè)生產(chǎn)所需的有機肥料,改↑ogy and Bioengineering 2006.94(5):980-987.{10) REN N, WAN(; B, MA F. Hydrogen bhio-pnduction of善農村人居環(huán)境,具有良好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社↑c(diǎn)arbohydrate fermentation by anuerobie artivated sludpe. 會(huì )效益。農村使用沼氣效果突出,受到廣大農民的普遍proress[Al. Water environment 68th annual confer-↑歡迎。下一步各級農業(yè)部門(mén)將迅速行動(dòng),采取措施,加ence[CI. Miami Beach: w ater environment federal,!快農村沼氣工程建設進(jìn)度。同時(shí),加快推進(jìn)農村沼氣服1995.145-153.↓務(wù)體系建設,以扶持建設鄉村服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)為重點(diǎn),構建包↓[叫APHA. Standard methods for the examinaion of eater↑括實(shí)訓基地、服務(wù)站和服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)為主要內容的較為完and waste water |M]. [ asington DC; Ameriean Pu blic善的沼氣服務(wù)體系,到2010年使服務(wù)能力覆蓋70%以Health Asociation,1995.↓上的沼氣農戶(hù)。(摘自新華網(wǎng))●58.