生物质气化技术研究现状与发展

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)07-0020-07

PresentResearchStatusandDevelopmentofBiomass

GasificationTechnologies

CHENGuan󰀁y,i󰀁GAOWen󰀁xue,󰀁YANBei󰀁be,i󰀁JIAJia󰀁ni

(SchoolofEnvironmentScience&Technology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

󰀁󰀁Abstract:󰀁Theclassificationofbiomassgasificationtechnologies,thecharacteristicsofgasifiers,

theinfluencingfactorsofgasificationperformanceandtheevaluatingindicatorarereviewed.Thepresent

developmentstatusofbiomassgasificationtechnologiesathomeandabroadisintroduced,theproblems

thatshouldbesolvedforbiomassgasificationtechnologiesaredescribed,andthedevelopmentdirectionof

biomassgasificationtechnologiesinChinaisputforward.

󰀁󰀁Keywords:󰀁biomassgasification;󰀁gasifier;󰀁gasificationperformance;󰀁influencingfactor;󰀁e󰀁

valuatingindicator;󰀁developmentdirection

1󰀁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4~6MJ/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10~15MJ/m3[3]。

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󰀁20󰀁第26卷󰀁第7期2006年7月煤气与热力GAS&HEATVo.l26No.7Ju.l2006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(0.11

~0.15MPa)[1、3、4、5]、加压气化(0.15~2.50

MPa)[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4~6MJ/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10~15

MJ/m3;采用氢气作为气化剂,热值达到20MJ/

m3[3]。

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(5~10min)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󰀁21󰀁第7期陈冠益,等:生物质气化技术研究现状与发展第26卷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700~900󰀁。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700~900󰀁。其特点是:

运行的流化速度高,约为颗粒终端速度的3~4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