生物质气化技术研究现状与发展.pdf

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1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/燃气气源与加工利用生物质气化技术研究现状与发展陈冠益,高文学,颜蓓蓓,贾佳妮（天津大学环境科学与工程学院,天津300072）摘要:

综述了生物质气化技术的分类、气化炉特点、气化性能影响因素及评价指标。

介绍了生物质气化技术在国内外的发展现状,阐明了生物质气化技术需要解决的问题,提出了我国生物质气化技术的发展方向。

关键词:

生物质气化;气化炉;气化性能;影响因素;评价指标;发展方向中图分类号:

TU996文献标识码:

A文章编号:

1000-4416（2006）07-0020-07PresentResearchStatusandDevelopmentofBiomassGasificationTechnologiesCHENGuan2yi,GAOWen2xue,YANBei2bei,JIAJia2ni（SchoolofEnvironmentScience&Technology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China）Abstract:

Theclassificationofbiomassgasificationtechnologies,thecharacteristicsofgasifiers,theinfluencingfactorsofgasificationperformanceandtheevaluatingindicatorarereviewed.Thepresentdevelopmentstatusofbiomassgasificationtechnologiesathomeandabroadisintroduced,theproblemsthatshouldbesolvedforbiomassgasificationtechnologiesaredescribed,andthedevelopmentdirectionofbiomassgasificationtechnologiesinChinaisputforward.Keywords:

biomassgasification;gasifier;gasificationperformance;influencingfactor;e2valuatingindicator;developmentdirection1生物质气化原理与工艺1.1生物质气化原理生物质气化是指生物质原料（薪柴、锯末、麦秸、稻草等）压制成型或经简单的破碎加工处理后,在欠氧条件下,送入气化炉中进行气化裂解,得到可燃气体并进行净化处理而获得产品气的过程。

其原理是在一定的热力学条件下,借助于部分空气（或氧气）、水蒸气的作用,使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原、重整反应,热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化为小分子碳氢化合物,获得含CO、H2和CH4的气体1。

由于生物质由纤维素、半纤维素、木质素、惰性灰等组成,含氧量和挥发分高,焦炭的活化性强2,因此,生物质与煤相比,具有更高的活性,更适合气化。

生物质气化主要包括气化反应、合成气催化变换和气体分离净化过程。

气化转化的重点为气体组分与产率的调整与控制。

生物质气化与热解不同,气化过程需要气化介质（常为空气）,气体热值较低,一般为46MJ/m3;热解过程通常不需要气化剂,其产物是液、气、炭3种产品,气体热值较高,一般为1015MJ/m33。

气化过程伴随有热解过程,热解是气化的第一步。

生物质气化的目的是得到洁净的产品气,因此要采用催化剂来抑制或消除热解反应中产生的焦油。

1.2生物质气化技术分类根据气化反应的工艺分一级气化、二级气化和多级气化。

多级气化即固定床、流化床及催化02第26卷第7期2006年7月煤气与热力GAS&HEATVol.26No.7Jul.20061994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/热解炉等气化炉的不同组合。

根据气化反应器的类型分固定床气化、移动床气化、流化床气化、气流床气化和旋风分离床气化。

根据气化反应器的压力分常压气化（0.110.15MPa）1、3、4、5、加压气化（0.152.50MPa）3、6和超临界气化（压力22.05MPa）7、8。

根据加热机理分自热气化、配热气化和外加热源气化,常用自热气化。

根据气化介质的种类分空气气化、氧气气化、水蒸气气化、CO2气化、混合介质气化（如空气-水蒸气气化）和空气加氢气化。

根据催化剂使用情况分非催化气化和催化气化（镍基催化剂气化、钌基催化剂气化、碳酸盐催化剂气化、金属氧化物催化剂气化等）。

生物质气化过程主要有四大系统,包括进料系统、气化反应系统、气体净化系统和气体利用系统。

气化工艺的不同会导致燃气组成和热值的不同。

采用空气作为气化剂时,组成约为（H2）=10%,（N2）=50%,（CO）=20%;（CO2）=20%,热值为46MJ/m3;采用水蒸气或氧气、混合介质作为气化剂时,组成约为（H2）=20%26%,（CO）=28%42%,（CO2）=16%23%,（CH4）=10%20%,（C2H2）=2%4%,（C2H6）=1%,C3以上组分的体积分数为2%3%,热值为1015MJ/m3;采用氢气作为气化剂,热值达到20MJ/m33。

1.3生物质气化炉的特点固定床气化根据固定床气化器内气流运动的方向和组合,固定床气化炉主要分为4种炉型:

下吸式气化炉、上吸式气化炉、横吸式气化炉、开心式气化炉。

下吸式气化炉:

生物质物料自炉顶投入炉内,气化剂由进料口和进风口进入炉内。

炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。

其特点是:

结构简单,工作稳定性好,可随时进料,气体下移过程中所含的焦油大部被裂解。

但出炉燃气灰分较高（需除尘）,燃气温度较高。

整体而言,该炉型可以对大块原料不经预处理直接使用,焦油含量少,构造简单。

该技术被认为是较好的气化技术,市场化程度高,有大量的炉型在运转或建造。

对于小型化应用（热功率1.5MW）很有吸引力,在发达和不发达经济地区均有较多的应用例子。

山东省科学院能源研究所最近发展的二步法气化技术,充分吸收了下吸式炉体的优点。

上吸式气化炉:

物料自炉顶投入炉内,气化剂由炉底进入炉内参与气化反应,反应产生的燃气自下而上流动,由燃气出口排出。

其特点是:

气化过程中,燃气在经过热分解层和干燥层时,可以有效地进行热量的多向传递,既用于物料的热分解和干燥,又降低了自身的温度,大大提高了整体热效率。

同时,热分解层、干燥层对燃气具有一定过滤作用,使其灰分很低。

但是其构造使得进料不方便,小炉型需间歇进料,大炉型需安装专用加料装置。

整体而言,该炉型结构简单,适于不同形状尺寸的原料,但生成气中焦油含量高,容易造成输气系统堵塞,使输气管道、阀门等工作不正常,加速其老化,因此需要复杂的燃气净化处理,给燃气的利用（如供气、发电）设施带来问题,大规模的应用比较困难。

目前没有见到气化发电上应用这一技术的例子。

横吸式气化炉:

物料自炉顶加入,灰分落入下部灰室。

气化剂由炉体一侧供给,生成的燃气从另一侧抽出（燃气呈水平流动,故又称平吸式气化炉）。

其特点是:

空气通过单管进风喷嘴高速吹入,形成一高温燃烧区,温度可达2000,能使用较难燃烧的物料。

结构紧凑,启动时间（510min）比下吸式短,负荷适应能力强。

但燃料在炉内停留时间短,还原层容积很小,影响燃气质量;炉中心温度高,超过了灰分的熔点,较易造成结渣。

仅适用于含焦油很少及灰分5%的燃料,如无烟煤、焦炭和木炭等。

该炉型已进入商业化运行,主要应用于南美洲。

开心式气化炉（又称为层式下吸式固定床气化炉）:

该炉是下吸式气化炉的一种特殊形式,只是没有缩口,以转动炉栅代替了高温喉管区,其炉栅中间向上隆起,绕其中心垂直轴作水平回转运动,防止灰分阻塞炉栅,保证气化的连续进行。

我国首创了这种炉型,大大简化了欧洲的下吸式气化炉。

其特点是:

物料和空气自炉顶进入炉内,空气能均匀进入反应层,反应温度沿反应截面径向分布一致,最大限度利用了反应截面,生产强度在固定床中居首位;气、固同向流动,有利于焦油的裂解,燃气中焦油含量低;结构简单,加料操作方便。

目前一些稻谷加工厂仍在运用该技术进行发电。

流化床气化12第7期陈冠益,等:

生物质气化技术研究现状与发展第26卷1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/鼓泡流化床气化炉是最简单的流化床气化炉。

气化剂由布风板下部吹入炉内,生物质燃料颗粒在布风板上部被直接输送进入床层,与高温床料混合接触,发生热解气化反应,密相区以燃烧反应为主,稀相区以还原反应为主,生成的高温燃气由上部排出。

通过调节气化剂与燃料的当量比,流化床温度可以控制在700900。

其特点是:

适用于颗粒较大的生物质原料,一般粒径10mm;生成气焦油含量较少,成分稳定;但飞灰和炭颗粒夹带严重,运行费用较大4。

该炉型应用范围广,从小规模气化到热功率达25MW的商业化运行,在同等直径尺寸下,气化能力小于循环流化床气化炉。

但对于小规模的生产应用场所更有市场与技术吸引力,目前国外仍有生产1、9。

循环流化床气化炉相对于鼓泡流化床气化炉而言,流化速度较高,生成气中含有大量固体颗粒,在燃气出口处设有旋风分离器或布袋分离器,未反应完的炭粒被旋风分离器分离下来,经返料器送入炉内,进行循环再反应,提高了碳的转化率和热效率。

炉内反应温度一般控制在700900。

其特点是:

运行的流化速度高,约为颗粒终端速度的34倍;气化空气量仅为燃烧空气量的20%30%;为保持流化高速,床体直径一般较小4;适用于多种原料,生成气焦油含量低;单位产气率高,单位容积的生产能力大。

该炉型特别适合规模较大的应用场所（热功率可达100MW）,具有良好的技术含量和商业竞争力。

该技术在国外有多家使用10,我国中国科学院广州能源研究所研制的循环流化床气化炉在国内已有应用例子,1台气化炉可同时供给5台200kW发电机组所需的燃气3。

加压流化床系统,无论是鼓泡流化床还是循环流化床,由于其更为复杂的安装运行和所需耐高压容器的附加建设成本,因此市场的竞争力较弱,但对于大规模气化联合循环发电模式很有优势。

双流化床气化炉由一级流化床反应器和二级流化床反应器两部分组成。

在一级反应器内,物料进行热解气化,生成的可燃气体在高温下经气固分离后进入后续净化系统,分离后的固体炭粒送入二级反应器进行氧化燃烧,加热床层惰性床料以维持气化炉温度。

双床系统碳转化率高,但构造复杂,两床间需要足够的物料循环量以保证气化吸热,这是技术关键,也是技术难点。

气流床气化气流床（又称携带式流化床）是一种特殊形式的流化床。

不使用惰性床料,流速较大的气化剂直接吹动气化炉内生物质原料,在高温下进行气化。

要求原料颗粒非常细小,炉体截面较小,运行温度高（1100以上）,燃气几乎无焦油,但易结渣。

目前仅见于实验室研究。

旋风分离床气化旋风分离床气化一般采用外加热方式,反应器内壁附有一定数量的螺旋肋,使生物质物料在限定的螺旋轨道上运动而不是以自由离心方式运动。

在反应器出口有一独立的循环回路连接物料入口,使未完全反应的物料和大的炭粒回到反应器中循环反应。

具有加热时间短等特点,可生成67%的液态产物和13%的生物质炭4。

几种炉型的比较循环流化床气化技术适合规模化应用,特别适用于联合发电情况;下吸式固定床气化炉对于中小规模化应用场所有明显的经济效益,适用于集中供气或供暖;鼓泡流化床适合中等规模的应用,商业应用比较灵活。

目前气化炉的趋势是发电、供热向大型化发展,供气向中小型化发展。

大型气化炉的发电、供热能力分别可达10MW、50MW;小型气化炉一般产气量为200700m3/h,发电能力为12MW,可以为小区用户单独提供热源、电力及燃气11。

其中流化床气化炉使用方便,技术较成熟,投入产出比高,规模上适合我国生物质资源的特点,应是大力推广的生物质气化技术。

2国内外生物质气化研发概况2.1国内情况在生物质气化方面,近年来国内科研单位加大了研究力度,也取得了明显进展。

中国科学院广州能源研究所在循环流化床气化发电方面取得了一系列进展,已经建设并运行了多套气化发电系统1215;西安交通大学着重于生物质超临界催化气化制氢方面的基础研究7;中国林业科学院林产化学工业研究所在生物质流态化气化技术、内循环锥形流化床富氧气化技术方面取得了成果16;天津大学着重于生物质流化床快速热解-催化蒸汽重整制氢及催化气化技术的开发研究,目前正在进行生物质流化床高效气化供气系统的开发2、5、17、18;中国科技大学进行了生物质等离子体气化19、生物质气化22第7期煤气与热力第26卷1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/合成等技术的研究20;清华大学进行了生物质流化床的热解气化及气化过程的混合神经网络模型研究21、22;山东大学开发了下吸式固定床气化技术23;山东省科学院能源研究所开发了低焦油二步法气化技术24;浙江大学对双流化床气化技术进行了研究,并开发示范了中热值气化供气与发电装置25、26;华中科技大学进行了流化床的气化研究2729;东南大学提出了串联流化床零排放制氢技术路线30;同济大学进行了生物质固定床气化过程的研究31、32;此外,哈尔滨工业大学、上海交通大学、中国科学院山西煤炭化学研究所、江汉大学、华南理工大学、太原理工大学、河南省科学院能源研究所等单位也取得了一些特色性的研究进展。

2.2国外情况国外生物质气化主要应用于以下领域:

生物质气化发电;生物质燃气区域供热;水泥厂供气与发电联产;生物质气化合成甲醇或二甲醚;生物质气化合成氨。

国外生物质气化装置一般规模较大,设计原料通常是林业废弃物,自动化程度高,工艺较复杂,以发电和供热为主。

经过调查欧美国家和地区的气化炉制造厂家,发现50家制造商提供的商用气化设备的设计炉型比例为:

75%为下吸式固定床气化炉型,20%为流化床系统,2.5%为上吸式固定床气化炉型,2.5%为其他类型的气化炉型33。

如加拿大摩尔公司设计和发展的固定床湿式上行式气化装置、加拿大通用燃料气化装置有限公司设计制造的流化床气化装置、美国标准固体燃料公司设计制造的炭化气化煤气发生系统、德国茵贝尔特能源公司设计制造的下吸式气化炉-内燃机发电机组系统等,其气化效率为60%90%34。

目前,在生物质气化研发上取得领先优势的国家有美国35、36、意大利37、德国38、日本39、荷兰40、法国41、瑞典42等。

最近,美国西肯塔基大学研究者开发了一种新型的生物质空气气化生产高热值低焦油燃气技术35,在流化床上能够生成约3.0m3/kg的可燃气体,热值为5MJ/m3,气体中H2、CO、CH4的体积分数分别达到9.27%、9.25%、4.21%,焦油含量700时,气化过程初始产物（挥发性物质）的二次裂解受停留时间的影响很大,在8s左右,可接近完全分解,使气体产率明显增加。

在设计气化炉型时,必须考虑停留时间对气化效果的影响。

压力采用加压气化技术可以改善流化质量,克服常压反应器的一些缺陷。

可增加反应容器内反应气体的浓度,减小了在相同流量下的气流速度,增加了气体与固体颗粒间的接触时间。

因此加压气化不仅可提高生产能力,减小气化炉或热解炉设备的尺寸,还可以减少原料的带出损失。

最为明显的就是以超高压为代表的超临界气化实验,压力已经达到3540MPa,可以得到氢体积分数为40%60%的高热值可燃气体7、43。

从提高产量和质量出发,反应器可从常压向高压方向改进。

但高压会导致系统复杂,制造与运行维护成本偏高。

因此,设计炉型时要综合考虑安全运行、经济性与最佳产率等各种要素。

根据中国科学院山西煤炭化学研究所开展的废弃生物质超临界水气化制氢的研究数据可以看出,高压32第7期陈冠益,等:

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/只需要较低的温度（450600）就可达到热化学气化高温（7001000）时的产气量和含氢率8、17。

升温速率加热升温速率显著影响气化过程第一步反应即热解反应,而且温度与升温速率是直接相关的。

不同的升温速率对应着不同的热解产物和产量。

按升温速率快慢可分为慢速热解、快速热解及闪速热解等。

流化床气化过程中的热解属于快速热解,升温速率为5001000/s,此时热解产物中焦油含量较多,因此必须在床中考虑催化裂化或热裂化以脱除焦油。

气化炉结构气化炉结构的改造,如直径的缩口变径、增加进出气口、增加干馏段成为两段式气化炉等方法,都能强化气化热解,加强燃烧,提高燃气热值。

对于固定床的下端带缩口形式的两段生物质气化炉的研究发现,在保证气化反应顺利进行的前提下,适当地减少缩口处的横截面积,可提高氧化区的最高温度和还原区的温度,从而使气化反应速率和焦油的裂解速率增加,达到改善气化性能效果。

气化剂的选择与分布气化剂的选择与分布是气化过程重要影响因素之一。

气化剂量直接影响到反应器的运行速率与产品气的停留时间,从而影响燃气品质与产率。

空气气化会增加产物中氮气含量,降低燃气热值和可燃组分浓度,热值为5MJ/m3左右44。

空气-水蒸气作气化剂,产气率为1.42.5m3/kg,低热值为6.59.0MJ/m3,氢气体积分数提高到30%左右6。

上下两段的一、二次供风气化方式显著提高了气化炉内的最高温度和还原区的温度,生成气中焦油的含量仅为常规供风方式的1/10左右45。

催化剂催化剂是气化过程中重要的影响因素,其性能直接影响着燃气组成与焦油含量。

催化剂既强化气化反应的进行,又促进产品气中焦油的裂解,生成更多小分子气体组分,提升产气率和热值。

在气化过程中应用金属氧化物和碳酸盐催化剂,能有效提高气化产气率和可燃组分浓度。

目前用于生物质气化过程的催化剂有白云石、镍基催化剂、高碳烃或低碳烃水蒸气重整催化剂、方解石、菱镁矿以及混合基催化剂等。

3.2生物质气化性能的评价指标气化性能评价指标主要是气体产率、气体组成和热值、碳转化率、气化效率、气化强度和燃气中焦油含量等1、4、11。

对于不同的应用场所,这些指标的重要性不一样,因此气化工艺的选择必须根据具体的应用场所而定。

大量试验和运行数据表明,生物质气化生成的可燃气体,随着反应条件和气化剂的不同而有差别。

但一般而言,最佳的气化剂当量比（空气或氧气量与完全燃烧理论需用量之比）为0.250.303。

气体产率一般为1.02.2m3/kg,也有数据为3.0m3/kg35。

气体一般是含有CO、H2、CO2、CH4、N2的混合气体,其热值分为高、中、低3种。

气化热效率一般为30%90%,依工艺和用途而变34、35。

碳转化率、气化效率、气化强度由采用的气化炉型、气化工艺参数等因素而定,国内行业标准规定气化效率70%,国内固定床气化炉可达70%,流化床可达78%以上3。

中国科学院广州能源研究所对其25kW下吸式生物质气化发电机组进行了运行测试,结果为:

气化过程中碳转化率为32.34%43.36%,气化效率为41.10%78.85%,系统总效率为11.5%22.8%13。

粗燃气中焦油含量对于不同的气化工艺差别很大,在508000mg/m3范围内变化,经过净化后的燃气焦油含量一般在20200mg/m3范围内变化。

3.3生物质气化过程中的焦油问题焦油是气化过程中的必然产物,成分十分复杂,大部分是苯的衍生物。

可以析出的成分有100多种,主要成分不少于20种,其中7种物质的含量超过了5%,它们是苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚。

气化产生的焦油量与反应温度、加热速率和停留时间等因素有关。

焦油的含量随温度的升高而减少。

通常反应温度在500时焦油产量最高。

停留时间延长,焦油裂解充分,其含量也随之减少。

焦油对气化炉后续工艺及设备具有重要影响。

焦油能量占可燃气能量的5%10%,难以完全燃烧,并产生炭黑等颗粒,对燃气利用设备等损害相当严重;焦油及燃烧后产生的气味对人体有害1、3、46;焦油在低温下凝结成液体,易与水、炭粒等结合成凝固态物质,堵塞输气管道和阀门等附属设施,腐蚀金属管道。

因此,必须尽量将其脱除。

同时焦油是可利用的物质,可分解转化为可燃的小分子气体,改善燃气组成与热值,提高气化效率。

42第7期煤气与热力第26卷1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/焦油脱除方法有普通水洗法（喷淋法、鼓泡水浴法）、干式过滤法、机械法、静电法、催化裂解法等5种。

国内生物质气化供气与发电装置,将上述几种脱除焦油和灰分的方法进行了不同的组合,净化效果更好。

其中最有效的脱除方法是催化裂解法,已在大、中型气化炉中采用和推广。

催化裂解机理是在一定的温度（750900）下,在气化过程中加入催化剂,将焦油裂解为可燃气体1、3。

很多材料（特别是一些稀有金属的氧化物）对焦油都有催化作用,典型的有3种:

白云石（碳酸盐）、木炭和镍基催化剂。

研究发现:

镍基催化剂催化效果最好,在750时就有很高的裂解效率（97%以上）。

木炭在催化裂解过程中也参与反应,耗量大。

白云石脱除效率不错,且成本低,具有良好的应用前景46。

4需解决的问题和建议目前生物质气化需解决的主要问题有:

燃气中焦油含量偏高,后续燃气净化工艺需大量的水,带来严重的废水污染;气化效率偏低,产率偏低,燃气中可燃气体浓度低;生物质直接气化、高压超临界气化虽然可获得高的可燃气体浓度,但是技术路线复杂,对于资源分散的生物质不易实现工业化生产;气化系统运行的稳定性差,燃气品质不易控制;气化工艺对原料种类、颗粒尺寸的适应性差;整个气化过程中净能量获得率不理想,能量利用途径单一,生产能力低,规模小,气化残渣没有得到利用,单位热量燃气成本较高。

生物质气化技术的开发需要综合考虑上述各种因素,以期获得满意的气化效率和可燃气体组分浓度,同时焦油含量低、过程净能量获得率高,以满足集中供气、气化发电、供热、合成转化为高品质气体等多种应用需求。

考虑到生物质原料的分散性,不易收集,建议发展中小规模的生物质高效气化系统,努力降低焦油含量,为广大农村提供清洁能源,改善农村生态环境。

考虑到生物质原料的季节波动性,建议气化技术应该适应多种原料,特别是劣质原料。

考虑到现阶段农村的经济水平和农民承受能力,建议优先发展生物质气化集中供气系统,在北方地区,同时考虑气化集中供暖。

对于生物质资源比较丰富、相对集中且电力比较紧张地区,建议优先发展供气与发电联产模式。

对于经济发达农村,可考虑发展生物质气化集中供气与生物质燃气空调联合模式。

对于各种气化利用模式,都应该考虑气化残渣的高效综合利用,如制取生态肥料。

参考文献:

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化学工业出版社,2003.2ChenG,SpliethoffH,AndriesJ.Catalyticpyrolysisofbiomassforhydrogen2richfuelgasproductionJ.Ener2gyConversionandManagement,2003,（44）:

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