生物质气化技术原理及应用分析

区域供热 2010.3期 前 言 生物质能是指由光合作用而产生的各种 有机体， 光合作用利用空气中的二氧化碳和 土壤中的水， 将吸收的太阳能转换为碳水化 合物和氧气。 生物质通常包括农业废弃物、木 材及森林工业废弃物、禽畜粪便、城镇生活垃 圾以及能源作物等几种类型。 生物质能具有 以下特点［1］：（1）属于可再生能源，可保证能源 的永续利用；（2）种类多而分布广，便于就地 利用，利用形式多样；（3）相关技术已经成熟， 可贮存性好；（4）节能、环保效果好。 1 生物质气化技术 1.1 生物质气化技术的原理 生物质气化是利用空气中的氧气或含氧 物作气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的 可燃部分转化为可燃气（主要是氢气、一氧化 碳和甲烷） 的热化学反应。 20世纪 70 年代， Ghaly ［2］首次提出了将气化技术应用于生物质 这种含能密度低的燃料。生物质的挥发分含量 一般在 76%~86%［3］，生物质受热后在相对较低 的温度下就能使大量的挥发分物质析出。几种 常见生物质燃料的工业分析成分如 1所示： 生物质气化技术原理及应用分析 福建省电力勘测院 郑 昀 济南锅炉集团有限公司 邵 岩 李 斌 【摘 要】生物质能是一种理想的可再生能源。 由于分布广泛、有利于环保等特 点，因而越来越受到世界各国的关注。 生物质气化技术是利用生物质能的一种方式。 本文介绍了生物质气化技术的原理，生物质气化工艺及气化设备。目前应用较多的气 化技术是生物质气化供气和生物质气化发电技术。 文中提出了应用过程中存在的问 题，提高效率、降低焦油含量等是今后利用生物质气化技术的发展方向。 【关键词】生物质 气化原理 气化技术应用 种类 工业分析成分 水分（%） 挥发分（%） 固定碳（%） 灰分（%） 低位热值（MJ/kg） 杂 草 豆 秸 稻 草 麦 秸 玉米秸 玉米芯 棉 秸 5.43 5.10 4.97 4.39 4.87 15.0 6.78 68.77 74.65 65.11 67.36 71.45 76.60 68.54 16.4 17.12 16.06 19.35 17.75 7.00 20.71 9.46 3.13 13.86 8.90 5.93 1.40 3.97 16.192 16.146 13.970 15.363 15.450 14.395 15.991 表 1 几种生物质的工业分析成分 39- - 区域供热 2010.3期 为了提供反应的热力学条件， 气化过程 需要供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧。 尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气 中， 气化后的产物含有 H2、CO 及低分子的 CmHn等可燃性气体。 整个过程可分为：干燥、 热解、氧化和还原。 （1）干燥过程 生物质进入气化炉后，在 热量的作用下，析出表面水分。 在 200~300℃ 时为主要干燥阶段。 （2）热解反应 当温度升高到 300℃以上 时开始进行热解反应。 在 300~400℃时，生物 质就可以释放出 70%左右的挥发组分， 而煤 要到 800℃才能释放出大约 30%的挥发分。热 解反应析出挥发分主要包括水蒸气、氢气、一 氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氢化合物。 （3） 氧化反应 热解的剩余木炭与引入 的空气发生反应， 同时释放大量的热以支持 生物干燥、热解和后续的还原反应，温度可达 到 1000~1200℃。 （4）还原过程 还原过程没有氧气存在， 氧化层中的燃烧产物及水蒸气与还原层中木 炭发生反应，生成氢气和一氧化碳等。 这些气 体和挥发分组成了可燃气体， 完成了固体生 物质向气体燃料的转化过程。 1.2 气化工艺 生物质气化有多种形式，如果按气化介质 可以分为使用气化介质和不使用气化两种，前 者又可以细分为空气气化、氧气气化、水蒸气 气化、氢气气化等，后者有热分解气化。不同气 化技术所得到的热值不同，因而应用领域也有 所不同［3］。 如表 2所示为不同气化工艺技术产 生可燃性气体的热值及其主要的用途。 气化技术 可燃气体热值（状态）（kJ/m3） 用途 空气气化 氧气气化 水蒸气气化 氢气气化 热分解气化 5440~7322 10878~18200 10920~18900 22260~26040 10878~15000 锅炉、干燥、动力 区域管网、合成燃料 区域管网、合成燃料 工艺热源、管网 燃料与发电、制造汽油与酒精的原料 表 2 不同气化工艺技术的用途 1.3 气化设备 气化炉是生物质气化反应的主要设备。 按气化炉的运行方式不同，可以分为固定床、 流化床和旋转床三种类型［4］。国内目前生物质 气化过程所采用的气化炉主要为固定床气化 炉和流化床气化炉。 固定床气化炉和流化床 气化炉又有多种不同的形式， 其各种类型如 图 1所示。 1.3.1 固定床气化炉［3］［5］ 固定床气化炉是一种传统的气化反应 炉，其运行温度大约为 1000℃。固定床气化炉 可以分为上吸式、下吸式和横吸式气化炉。 上吸式气化炉中， 生物质原料由炉顶加 入，气化剂由炉底部进气口加入，气体流动的 方向与燃料运动的方向相反， 向下流动的生 物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解、气 化。 其主要优点是产出气在经过裂解层和干 燥层时，将其携带的热量传递给物料，用于物 料的裂解和干燥，同时降低自身的温度，使炉 子的热效率提高，产出气体含灰量少。 下吸式气化炉中， 生物质由顶部的加料 口投入，气化剂可以在顶部加入，也可以在喉 图 1 生物质气化炉的分类 40- - 区域供热 2010.3期 部加入。气化剂与物料混合向下流动。该炉的 优点是，有效层高度几乎不变、气候强度高、 工作稳定性好、可以随时加料，而且气化气体 中焦油含量较少。 但是燃气中灰尘较多，出炉 温度较高。 横吸式气化炉中， 生物质原料由气化炉 顶部加入， 气化剂从位于炉身一定高度处进 入炉内，灰分落入炉栅下部的灰室。 燃气呈水 平流动，故称作横吸式气化炉。 该气化炉的燃 烧区温度可达到 2000℃，超过灰熔点，容易结 渣。 因此该炉只适用于含焦油和灰分不大于 5%的燃料，如无烟煤、焦炭和木炭等。 1.3.2 流化床气化炉 流化床燃烧技术是一种先进的燃烧技 术。 流化床气化炉的温度一般在 750~800℃。 这种气化炉适用于气化水分含量大、热值低、 着火困难的生物质物料， 但是原料要求相当 小的粒度，可大规模、高效的利用生物质能。 按照气固流动特性不同， 流化床气化炉分为 鼓泡床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床 气化炉和携带床气化炉。 鼓泡床中气流速度相对较低，几乎没有固 体颗粒从中逸出。循环流化床气化炉中流化速 度相对较高，从床中带出的颗粒通过旋风分离 器收集后，重新送入炉内进行气化反应。 双流化床与循环流化床相似， 如图 2 所 示，不同的是第 I级反应器的流化介质在第 II 级反应器中加热。 在第 I 级反应器中进行裂 解反应，第 II级反应器中进行气化反应。双流 化床气化炉炭转化率较高。 携带床气化炉是流化床气化炉的一种特 例，其运行温度高达 1100~1300℃，产出气体 中焦油成分和冷凝物含量很低， 碳转化率可 以达到 100%。 2 生物质气化技术的应用 2.1 生物质气化供气 生物质气化供气技术是指气化炉产出的 生物质燃气，通过相应的配套装备，完成为居 民供应燃气的技术。 生物质气化供气系统工 艺流程如图 3所示。 生物质原料首先经过处理达到气化炉的 使用条件，然后由送料装置送入气化炉中，不 同类型的气化炉需要配备不同的送料装置。 所产生的可燃气体， 在净化器中除去灰尘和 焦油等杂质。 经过净化后的气体经过水封，由 鼓风机送入储气罐中， 水封相当于一个单向 阀，只允许燃气向储气罐中流动。 储气罐出口 的阻火器是一个重要的安全设备。 最后，燃气 通过燃气供应网统一输送给用户。 目前，生物质气化供气技术已经在山东、 辽宁、吉林、安徽等十几个省市推广开来，已 经成功气化的生物质包括玉米芯、玉米秸、棉 柴和麦秸等［4］。 2.2 生物质气化发电技术 生物质气化发电技术是目前研究与应用 最多、装备最为完善的技术。 目前，生物质气 化发电有三种方式： （1） 作为蒸汽锅炉的燃料燃烧生产蒸汽 带动蒸汽轮机发电。 这种方式对气体要求不 是很严格，直接在锅炉内燃烧气化气。 气化气图 2 双循环流化床示意图 图 3 生物质气化供气系统工艺流程图 41- - 区域供热 2010.3期 经过旋风分离器除去杂质和灰分后即可使 用。 燃烧器在气体成分和热值有变化时，能够 保持稳定的燃烧状态，排放污染物较少。 （2）在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。 这种方式对气体的压力有要求， 一般为 10~ 30kg/cm2。 该种技术存在灰尘、杂质等污染问 题。 （3）在内燃机内燃烧带动发电机发电。 这 种方式应用广泛，效率高。 但是该种方法对气 体要求极为严格， 气化气必须经过净化和冷 却处理。 大型的生物质气化发电系统均采用燃气 轮机发电机， 这是目前世界上最先进的生物 质发电技术。 该系统包括两种发电技术：整体 气化联合循环（IGCC）和整体气化热空气循环 （IGHAT）。 由于燃气轮机系统发电后排放的尾气温 度大于 500℃，所以增加余热锅炉和过热器产 生蒸汽，再利用蒸汽循环，可以有效提高发电 效率，这就是生物质整体气化联合循环，其发 电工艺流程如图 4所示。 该系统由物料预处理设备、气化设备、净 化设备、换热设备、燃气轮机、蒸汽轮机等发 电设备组成。 功率范围在 7~30MW，整体效率 可以达到 40%。 整体气化热空气循环（IGHAT）技术正处 于开发阶段，它和 IGCC的主要区别在于用一 个燃气轮机代替了后者的燃气轮机和汽轮 机。 由水蒸气和燃气的混合工质通过燃气轮 机输出有用功，其整体效率可以达到 60%，有 望成为 21世纪的新型发电技术。 3 生物质气化技术面临的问题及展望 生物质能在我国是仅次于煤炭、 石油和 天然气的第四种能源资源， 在能源系统中占 有重要地位。 当前，生物质气化技术在实际利 用过程中，还存在以下几个主要问题［1］： （a） 生物质灰熔点低、 碱金属元素含量 高， 直接燃烧易结焦和产生高温碱金属元素 腐蚀； （b）生物质气化时，渣与飞灰的含碳量较 高，气化效率低； （c）燃气中焦油含量高，容易导致产生含 焦废水以及影响设备的正常运行； （d） 目前气化发电机组的尾气余热回收 效果不好，造成整个系统效率较低。 所以，降低燃气中的飞灰和焦油含量、提 高系统效率和可靠性是今后利用生物质气化 技术的主要研究方向。 我国生物质能资源十 分丰富， 仅各类农业废弃物的资源每年即有 3.08×108 t 标准煤，薪柴资源量为 1.3×108 t 标 准煤。 第 15次世界能源大会将生物质气化技 术确定为优先开发的新能源技术之一。 目前， 我国已经建立了 500 个以上的生物质气化应 用，连续运行的经验表明，生物质气化技 术对处理大量的农作物废弃物、 减轻环境污 染、 提高人民生活水平等多方面都发挥着积 极的作用。 参考文献 ［1］吴正舜，吴创之，郑舜鹏.4MW 级生物质气化发电 示范工程的设计研究［J］，能源工程，2003，3：14- 17 ［2］Gahly M，Piskorz J，etal. The Hydro gasification of wood ［J］. IndEngCheMres，1988，27：256-264. ［3］李传统，新能源与可再生能源技术［M］，东南大学 出版社，2005 ［4］骆仲泱，张冀强，姚向军. 中国生物质能利用技术 评价［J］，中国能源，2004，26（9）：39-42 ［5］刘荣厚，牛卫生，张大雷. 生物质热化学转换技术 ［M］，化学工业出版社，2005 图 4 生物质整体气化联合循环工艺流程图 42- -