我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)概況與發(fā)展8

1、我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)概況與發(fā)展摘要：介紹了我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及生物質(zhì)氣化供氣、發(fā)電的基本工藝流程。同時(shí)，在簡(jiǎn)述生 物質(zhì)氣化的概念及其轉(zhuǎn)化方式基礎(chǔ)上，著重論述了生物質(zhì)氣化技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)生物質(zhì)氣化 技術(shù)所需要的關(guān)鍵技術(shù)裝備及原理等以圖示出。引言能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的 基本支撐。我國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，當(dāng)前能源供應(yīng)主要 依靠煤炭、石油和天然氣等化石能源，而化石能源資 源的有限性及其開發(fā)利用過程對(duì)環(huán)境生態(tài)造成的巨 大壓力，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)， 我國(guó)又是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年有大量的農(nóng)作物秸稈、 畜禽糞便、農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)品和能源作物等植物生物 質(zhì)

2、產(chǎn)生。而生物質(zhì)氣化技術(shù)正是以植物生物質(zhì)為原 料，采用熱解法及熱化學(xué)氧化法在缺氧條件下加熱， 使其發(fā)生復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化過程，在反應(yīng) 條件下按照化學(xué)鍵的成鍵原理，變成一氧化碳、甲烷、 氫氣等可燃性氣體的分子。最終利用這些氣體進(jìn)行 集中供氣、發(fā)電，從而可在某些情況下替代現(xiàn)有的煤 電以及天然氣。其不僅減輕了因焚燒秸稈而對(duì)環(huán)境 造成的污染，而且提高了秸稈的利用效果，并為能源 的可持續(xù)發(fā)展提出了有效途徑。 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能不僅具有可永續(xù)利用，具有環(huán)境友 好和可再生雙重屬性，而且發(fā)展農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)， 突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的局限，利用農(nóng)產(chǎn)品及其廢棄物生產(chǎn)新 型能源，拓展了農(nóng)產(chǎn)品的原料用途和加工途徑，提升 產(chǎn)品

3、的附加值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有利于轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)方 式，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，延伸農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條，提高農(nóng)業(yè)效 益，拓展農(nóng)村剩余勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移空間，在促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì) 發(fā)展、增加農(nóng)民收入等方面大有可為。因此，生物質(zhì)氣化技術(shù)已成為我國(guó)能源及農(nóng)業(yè)研發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)熱 點(diǎn)內(nèi)容。1 生物質(zhì)氣化原理生物質(zhì)氣化技術(shù)是一種熱化學(xué)處理技術(shù)，通過氣 化爐將固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為使用方便而且清潔的可燃 氣體，用作燃料或生產(chǎn)動(dòng)力。其基本原理是將生物質(zhì) 原料加熱，生物質(zhì)原料進(jìn)入氣化爐后被干燥，伴隨著 溫度的升高，析出揮發(fā)物，并在高溫下裂解(熱解)；熱 解后的氣體和炭在氣化爐的氧化區(qū)與供入的氣化介 質(zhì)(空氣、氧氣、水蒸氣等)發(fā)生氧化反應(yīng)并燃燒；燃燒 放出的

4、熱量用于維持干燥、熱解和還原反應(yīng)，最終生 成了含有一定量CO，H：，CH。，C。H。的混合氣體，去除焦油、雜質(zhì)后即可燃用或者發(fā)電¨J。生物質(zhì)氣化原理 如圖1所示。2我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)概況我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代初 期，至今已開展了生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)以及裝置的研究 和開發(fā)，形成了生物質(zhì)氣化集中供氣、燃?xì)忮仩t供熱、萬方數(shù)據(jù)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電等技術(shù)，把農(nóng)林廢棄物、工業(yè)廢棄物等生 物質(zhì)能轉(zhuǎn)換為高效能的煤氣、電能或蒸汽，提高生物 質(zhì)能源的利用效率，實(shí)現(xiàn)以生物質(zhì)替代氣、油和煤的 新型能源心。生物質(zhì)氣化集中供氣即將生物質(zhì)氣化 爐產(chǎn)生的氣體通過凈化除焦、除塵后通過用戶管網(wǎng)送 至用戶以實(shí)現(xiàn)供暖

5、、供熱、供電。生物質(zhì)氣化集中供 氣系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。1上料器2氣化爐3凈化器4分離器5羅茨風(fēng)機(jī)6沉淀器7安全閥8貯掘柜9用戶管網(wǎng)圖2生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)工藝流程我國(guó)通過消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與自主創(chuàng)新并 舉，目前已研制出集中供氣和戶用氣化設(shè)備，形成了 多個(gè)系列氣化爐產(chǎn)品，已進(jìn)入實(shí)用化試驗(yàn)及示范階 段，可滿足多種物料的氣化要求，在生產(chǎn)、生活用能和 發(fā)電、干燥、供暖等領(lǐng)域得到了一定利用。國(guó)內(nèi)中科 院廣州能源所、山東能源研究所、大連市環(huán)境科學(xué)設(shè) 計(jì)研究院及中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院作為國(guó)內(nèi)的 生物質(zhì)氣化早期研究機(jī)構(gòu)，相繼研發(fā)了以下產(chǎn)品：中 科院廣州能源所對(duì)上吸式生物質(zhì)氣化爐的氣化原理、 物料反應(yīng)

6、性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)，研制出GSQ型氣化 爐；山東能源研究所研制的XFL系列秸稈氣化爐在農(nóng) 村集中供氣中得到了一定的應(yīng)用；大連市環(huán)境科學(xué)設(shè) 計(jì)研究院研制Lz系列生物質(zhì)餾熱解氣化裝置建成了 可供1 000戶農(nóng)民生活用燃?xì)獾纳镔|(zhì)熱解加工廠； 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的ND系列生物質(zhì)氣 化爐，其中ND一600型氣化爐已在生產(chǎn)中得到了一定 應(yīng)用，并取得了一定的效益；云南省研制的QL一50和 QL一60型戶用生物質(zhì)氣化爐已通過技術(shù)鑒定并在農(nóng) 村進(jìn)行試驗(yàn)示范。 在我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)不僅在集中供氣方面有 應(yīng)用，科研單位又將生物質(zhì)氣化技術(shù)進(jìn)行衍生，利用 生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)電，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和 社會(huì)

7、效益舊o。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理，是把 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?，再利用可燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)獍l(fā)電設(shè) 備進(jìn)行發(fā)電。氣化發(fā)電過程主要包括3個(gè)方面：一是生物質(zhì)氣化，在氣化爐中把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃 料；二是氣體凈化，氣化出來的燃?xì)舛己幸欢ǖ碾s 質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì) 除去，以保證燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行；三是燃?xì)獍l(fā) 電，利用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電，有的工藝 為了提高發(fā)電效率，發(fā)電過程可以增加余熱鍋爐和蒸 汽輪機(jī)H1，典型的系統(tǒng)如圖3所示。圖3生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝流程不意圖生物質(zhì)燃燒發(fā)電是將生物質(zhì)與過量的空氣在鍋 爐中燃燒，產(chǎn)生的熱煙氣和鍋爐的熱交換部件換熱， 產(chǎn)生的高溫高壓

8、蒸汽在燃?xì)廨啓C(jī)中膨脹做功發(fā)出電 能。生物質(zhì)燃燒發(fā)電的技術(shù)已基本成熟，已進(jìn)入推廣 應(yīng)用階段，這種技術(shù)在大規(guī)模下效率較高，單位投資 也較合理，但它要求生物質(zhì)集中，數(shù)量巨大”J。 我國(guó)有著良好的生物質(zhì)氣化發(fā)電基礎(chǔ)，在20世 紀(jì)60年代就開發(fā)了60kW的谷殼氣化發(fā)電系統(tǒng)，目前 160200kW的生物質(zhì)氣化發(fā)電設(shè)備在我國(guó)已得到小 規(guī)模應(yīng)用，顯示出一定的經(jīng)濟(jì)效益6 J。遼寧省能源研 究所于2006年6月在意大利建成的流化床生物質(zhì)氣 化發(fā)電系統(tǒng)，采用木屑或稻殼為原料，發(fā)電量160kW； 江蘇吳江縣生產(chǎn)的稻殼氣化爐，利用碾米廠下腳料驅(qū) 動(dòng)發(fā)電機(jī)組，功率可達(dá)160kW，已進(jìn)入示范應(yīng)用階段； MW級(jí)的中型BGPG

9、系統(tǒng)也已在近些年研究開發(fā)出 來，1998年10月中科院廣州能源所完成1MW級(jí)的生 物質(zhì)循環(huán)流化床氣化一內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)(GIEC)，5臺(tái) 200kW發(fā)電機(jī)組并聯(lián)工作，由于受氣化效率與內(nèi)燃機(jī) 效率限制，效率低于18，單位電量生物質(zhì)消耗量一 般大于l 12kg(kW·h)。在此基礎(chǔ)上中國(guó)科學(xué)院廣 州能源研究所還在海南三亞建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)生物質(zhì) 木屑?xì)饣l(fā)電廠并于2000年下半年投入運(yùn)行；中國(guó) 林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所以稻草、麥草等軟秸稈和 稻殼等農(nóng)業(yè)剩余物為原料，并建成生物質(zhì)氣化發(fā)電裝 置，已經(jīng)投入運(yùn)行，具有明顯的直接經(jīng)濟(jì)收益。設(shè)備 正常運(yùn)行時(shí)，每年可處理約3萬t多秸稈、稻殼、木屑 等生物質(zhì)

10、廢料，每年大大減少cO：的排放o7|。3生物質(zhì)氣化技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備生物質(zhì)氣化是通過氣化裝置的熱化學(xué)反應(yīng)，可將 低效能的固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成高效能的可燃?xì)?，因此?化爐自然是生物質(zhì)氣化過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一。我 國(guó)使用的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)，主要有固定床、流化 床和直接干餾熱解3種工藝形式。固定床氣化爐工 藝一般采用空氣為氣化劑，氣流方式有上吸式、下吸 式或是平吸式，特點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、可以 實(shí)現(xiàn)多種生物質(zhì)原料的熱解氣化、投資少等。但是得 到的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档?，通常?2007 560kJim3之 間，屬低熱值可燃?xì)?，且生物質(zhì)氣焦油含量高，容易造 成管路堵塞。流化床氣化爐的工作特點(diǎn)：氣固接觸混

11、合良好，停留時(shí)間都較短，床內(nèi)壓力降較高，受熱均 勻，加熱迅速，氣化反應(yīng)速度快，可燃?xì)獾寐矢?，爐內(nèi) 溫度高而且恒定，可燃?xì)庵薪褂秃枯^小，但出爐的 可燃?xì)庵泻休^多的灰分，可頻繁啟停，氣化強(qiáng)度大、 綜合經(jīng)濟(jì)性好，非常適合于大型的工業(yè)供氣系統(tǒng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備投資較多，常見的氣化爐類型如圖4 所示。直接干餾熱解的特點(diǎn)是生物質(zhì)在隔絕空氣條 件下進(jìn)行熱分解，產(chǎn)物為固體炭、液體的木焦油和木 醋液、可燃性氣體，生產(chǎn)過程須外加能源。各氣化 爐的工作原理及氣流走向如圖5所示。(a)下吸式固定床氣化爐圖(d)單流化床氣化爐圖(b)上吸式固定床氣化爐圖(e)循環(huán)流化床氣化爐圖生物質(zhì)氣化產(chǎn)出物除可燃?xì)馔猓€有灰分、

12、水分及 焦油等物質(zhì)一。大部分灰分由爐柵落入灰室，可燃?xì)?中的灰塵需經(jīng)除塵裝置分離出，然后將可燃?xì)夤┙o用 戶或者發(fā)電機(jī)使用¨0|。收集到的灰分進(jìn)一步處理，可 加工成耐熱保溫材料，或提取高純度的SiO：，也可用作 肥料。因此，通過除塵裝置將可燃?xì)怏w中的灰塵分離 出來，不僅可以提高可燃?xì)獾馁|(zhì)量，減少對(duì)設(shè)備的損傷 以及管道的堵塞，并且還可以提高產(chǎn)品附加值。4制約生物質(zhì)氣化技術(shù)快速發(fā)展的主要問題焦油問題。焦油問題是影響氣化氣使用的最 大障礙，除了氣化供熱，氣體燃料直接用于燃燒以外， 無論是用于發(fā)電或供氣，都有焦油問題。焦油會(huì)堵塞 管路，污染氣缸，堵塞火花塞或燃?xì)怄軱，使發(fā)電與供氣 無法正常運(yùn)行

13、，還會(huì)引起二次污染。因此，焦油問題 是氣化發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵之一。解決焦油問題最徹底 的方法就是把焦油裂解為永久性氣體。目前雖有焦 油熱裂解與催化裂解的試驗(yàn)，但距實(shí)用仍存在一段距 離，因此目前要解決焦油問題還應(yīng)加大力度研究焦油 裂解的經(jīng)濟(jì)實(shí)用方法¨ 2)二次污染問題。為了處理生物質(zhì)氣化中產(chǎn)生 的焦油和對(duì)氣體進(jìn)行除塵，氣化裝置、凈化裝置需用 大量的水作為除塵、除焦介質(zhì)。除塵、除焦后的水含 有焦油和灰分等有害物質(zhì)，在排放前需進(jìn)行無害化處 理，并盡可能循環(huán)使用，使排放的廢水中有害物質(zhì)高 于環(huán)保要求，從而減少由于除焦、除灰?guī)砹硕挝?染。對(duì)于灰污染問題處理比較簡(jiǎn)單，只要提高氣化效 率，并對(duì)灰進(jìn)

14、行煅燒處理，即可滿足要求。對(duì)于廢水 問題，就比較難處理，根本方法就是減少焦油的產(chǎn)生， 因?yàn)槠渲饕獊碓从谒闯褂?#168;2】。 3)氣體熱值偏低問題。由于生物質(zhì)氣化氣可燃 成分少，熱值一般是天燃?xì)鉄嶂档?1717，熱值偏 低。為了滿足熱負(fù)荷的要求，就要消耗大量的氣體， 這就使得貯氣柜體積增大，使貯氣柜的投資增加。 4)提高氣化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益問題。目前已經(jīng)建 成運(yùn)行的氣化站，多數(shù)將燃?xì)夤┙o農(nóng)民炊事之用，除 極少數(shù)冬季運(yùn)行的氣化站產(chǎn)出氣應(yīng)用于采暖外，其它 的應(yīng)用形式很少，這樣就影響了氣化氣的運(yùn)行效果， 氣化機(jī)組閑置時(shí)間較長(zhǎng)(一般只運(yùn)行23hd)，售出 氣量少，影響了氣化站的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)在一定程度 上也影響了氣化站建設(shè)單位或個(gè)人的積極性。5生物質(zhì)氣化技術(shù)展望顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的經(jīng)濟(jì)性構(gòu)成了生物質(zhì)氣化技術(shù)裝備進(jìn)入市場(chǎng)的基本動(dòng)力131?？梢灶A(yù)見，隨 著農(nóng)村整體經(jīng)濟(jì)實(shí)力增強(qiáng)，對(duì)高效能的潔凈氣化能源 的需求增大，生物質(zhì)能必將與太陽能、風(fēng)能、地?zé)?、?氣等一起被列為農(nóng)村能源開發(fā)與利用的重點(diǎn)，而且其 市場(chǎng)覆蓋面會(huì)越來越廣闊。同時(shí)，生物質(zhì)氣化技術(shù)具 有原料可再生及對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)，因而受到關(guān)注程 度越來越高，并在過去幾十年里取得了重要進(jìn)展，尤 其是近20年我國(guó)在生物質(zhì)氣化發(fā)電研究方面已經(jīng)取