鄭昀¹，邵巖²，李斌²

(1.福建省電力勘測設計院，福建福州350003；2.濟南鍋爐集團有限公司，山東濟南250023)

　　摘要：介紹了生物質氣化技術的原理，生物質氣化工藝及氣化設備。目前應用較多的氣化技術是生物質氣化供氣和生物質氣化發(fā)電技術。提出了應用過程中存在的問題，提高效率、降低焦油含量等是今后利用生物質氣化技術的發(fā)展方向。

　　1前言

　　生物質能是一種理想的可再生能源。由于分布廣泛、有利于環(huán)保等特點，越來越受到世界各國的關注。生物質氣化技術是利用生物質能的一種方式，生物質能是指由光合作用而產生的各種有機體，光合作用利用空氣中的二氧化碳和土壤中的水，將吸收的太陽能轉換為碳水化合物和氧氣。生物質通常包括農業(yè)廢棄物、木材及森林工業(yè)廢棄物、禽畜糞便、城鎮(zhèn)生活垃圾以及能源作物等幾種類型。生物質能具有以下特點：屬于可再生能源，可保證能源的永續(xù)利用；種類多而分布廣，便于就地利用，利用形式多樣；相關技術已經成熟，可貯存性好；節(jié)能、環(huán)保效果好。

　　2生物質氣化技術

　　2.1生物質氣化技術的原理

　　生物質氣化是利用空氣中的氧氣或含氧物做氣化劑，在高溫條件下將生物質燃料中的可燃部分轉化為可燃氣(主要是氫氣、一氧化碳和甲烷)的熱化學反應。20世紀70年代，Ghaly首次提出了將氣化技術應用于生物質這種含能密度低的燃料。生物質的揮發(fā)份含量一般在76～86%，生物質受熱后在相對較低的溫度下就能使大量的揮發(fā)份物質析出。幾種常見生物質燃料的工業(yè)分析成分見表1。

　　為了提供反應的熱力學條件，氣化過程需要供給空氣或氧氣，使原料發(fā)生部分燃燒，盡可能將能量保留在反應后得到的可燃氣中，氣化后的產物含有H₂、CO及低分子的CmHn等可燃性氣體。整個過程可分為：干燥、熱解、氧化和還原。

　　2.1.1干燥過程

　　生物質進入氣化爐后，在熱量的作用下，析出表面水分。在200～300℃時為主要干燥階段。

　　2.1.2熱解反應

　　當溫度升高到300℃以上時開始進行熱解反應。在300～400℃時，生物質就可以釋放出70%左右的揮發(fā)組份，而煤要到800℃才能釋放出大約30%的揮發(fā)份。熱解反應析出揮發(fā)份主要包括水蒸氣、氫氣、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氫化合物。

　　2.1.3氧化反應

　　熱解的剩余木炭與引入的空氣發(fā)生反應，同時釋放大量的熱以支持生物干燥、熱解和后續(xù)的還原反應，溫度可達到1000～1200℃。

　　2.1.4還原過程

　　還原過程沒有氧氣存在，氧化層中的燃燒產物及水蒸汽與還原層中木炭發(fā)生反應，生成氫氣和一氧化碳等。這些氣體和揮發(fā)份組成了可燃氣體，完成了固體生物質向氣體燃料的轉化過程。

　　2.2氣化工藝

　　生物質氣化有多種形式，如果按氣化介質可以分為使用氣化介質和不使用氣化介質兩種，前者又可以細分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、氫氣氣化等，后者有熱分解氣化。不同氣化技術所得到的熱值不同，因而應用領域也有所不同。不同氣化工藝技術產生可燃性氣體的熱值及其主要的用途，見表2。

　　2.3氣化設備

　　氣化爐是生物質氣化反應的主要設備。按氣化爐的運行方式不同，可以分為固定床、流化床和旋轉床三種類型。國內目前生物質氣化過程所采用的氣化爐主要為固定床氣化爐和流化床氣化爐。固定床氣化爐和流化床氣化爐又有多種不同的形式，其各種類型見圖1。

　　2.3.1固定床氣化爐

　　固定床氣化爐是一種傳統(tǒng)的氣化反應爐，其運行溫度大約為1000℃。固定床氣化爐可以分為上吸式、下吸式和橫吸式氣化爐。

　　在上吸式氣化爐中，生物質原料由爐頂加入，氣化劑由爐底部進氣口加入，氣體流動的方向與燃料運動的方向相反，向下流動的生物質原料被向上流動的熱氣體烘干、裂解、氣化。其主要優(yōu)點是產出氣在經過裂解層和干燥層時，將其攜帶的熱量傳遞給物料，用于物料的裂解和干燥，同時降低自身的溫度，使爐子的熱效率提高，產出氣體含灰量少。

　　在下吸式氣化爐中，生物質由頂部的加料口投入，氣化劑可以在頂部加入，也可以在喉部加入。氣化劑與物料混合向下流動。該爐的優(yōu)點是，有效層高度幾乎不變、氣候強度高、工作穩(wěn)定性好、可以隨時加料，而且氣化氣體中焦油含量較少。但是燃氣中灰塵較多，出爐溫度較高。

　　在橫吸式氣化爐中，生物質原料由氣化爐頂部加入，氣化劑從位于爐身一定高度處進入爐內，灰分落入爐柵下部的灰室。燃氣呈水平流動，故稱作橫吸式氣化爐。該氣化爐的燃燒區(qū)溫度可達到2000℃，超過灰熔點，容易結渣。因此該爐只適用于含焦油和灰分不大于5%的燃料，如無煙煤、焦炭和木炭等。

　　2.3.2流化床氣化爐

　　流化床燃燒技術是一種先進的燃燒技術。流化床氣化爐的溫度一般在750～800℃。這種氣化爐適用于氣化水分含量大、熱值低、著火困難的生物質物料，但是原料要求相當小的粒度，可大規(guī)模、高效的利用生物質能。按照氣固流動特性不同，流化床氣化爐分為鼓泡床氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐、雙流化床氣化爐和攜帶床氣化爐。

　　鼓泡床中氣流速度相對較低，幾乎沒有固體顆粒從中逸出。循環(huán)流化床氣化爐中流化速度相對較高，從床中帶出的顆粒通過旋風分離器收集后，重新送入爐內進行氣化反應。

　　雙流化床與循環(huán)流化床相似，見圖2，不同的是第I級反應器的流化介質在第II級反應器中加熱。在第I級反應器中進行裂解反應，第II級反應器中進行氣化反應。雙流化床氣化爐碳轉化率較高。

　　攜帶床氣化爐是流化床氣化爐的一種特例，其運行溫度高達1100～1300℃，產出氣體中焦油成分和冷凝物含量很低，碳轉化率可以達到100%。

　　3生物質氣化技術的應用

　　3.1生物質氣化供氣

　　生物質氣化供氣技術是指氣化爐產出的生物質燃氣，通過相應的配套裝備，完成為居民供應燃氣的技術。生物質氣化供氣系統(tǒng)工藝流程見圖3。

　　生物質原料首先經過處理達到氣化爐的使用條件，然后由送料裝置送入氣化爐中，不同類型的氣化爐需要配備不同的送料裝置。所產生的可燃氣體，在凈化器中除去灰塵和焦油等雜質。經過凈化后的氣體經過水封，由鼓風機送入儲氣罐中，水封相當于一個單向閥，只允許燃氣向儲氣罐中流動。儲氣罐出口的阻火器是一個重要的安全設備。最后，燃氣通過燃氣供應網統(tǒng)一輸送給用戶。

　　目前，生物質氣化供氣技術已經在山東、遼寧、吉林、安徽等十幾個省市推廣開來，已經成功氣化的生物質包括玉米芯、玉米秸、棉柴和麥秸等。

　　3.2生物質氣化發(fā)電技術

　　生物質氣化發(fā)電技術是目前研究與應用最多、裝備最為完善的技術。目前，生物質氣化發(fā)電有三種方式：

　　a.作為蒸汽鍋爐的燃料燃燒生產蒸汽帶動蒸汽輪機發(fā)電。這種方式對氣體要求不是很嚴格，直接在鍋爐內燃燒氣化氣。氣化氣經過旋風分離器除去雜質和灰分后即可使用。燃燒器在氣體成分和熱值有變化時，能夠保持穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，排放污染物較少。

　　b.在燃氣輪機內燃燒帶動發(fā)電機發(fā)電。這種方式對氣體的壓力有要求，一般為10～30kg/cm²。該種技術存在灰塵、雜質等污染問題。

　　c.在內燃機內燃燒帶動發(fā)電機發(fā)電。這種方式應用廣泛，效率高。但是該種方法對氣體要求極為嚴格，氣化氣必須經過凈化和冷卻處理。

　　大型的生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)均采用燃氣輪機發(fā)電機，這是目前世界上最先進的生物質發(fā)電技術。該系統(tǒng)包括兩種發(fā)電技術：整體氣化聯合循環(huán)(IGCC)和整體氣化熱空氣循環(huán)(IGHAT)。

　　由于燃氣輪機系統(tǒng)發(fā)電后排放的尾氣溫度大于500℃，所以增加余熱鍋爐和過熱器產生蒸汽，再利用蒸汽循環(huán)，可以有效提高發(fā)電效率，這就是生物質整體氣化聯合循環(huán)，其發(fā)電工藝流程見圖4。

　　該系統(tǒng)由物料預處理設備、氣化設備、凈化設備、換熱設備、燃氣輪機、蒸汽輪機等發(fā)電設備組成。功率范圍在7～30MW，整體效率可以達到40%。

　　整體氣化熱空氣循環(huán)(IGHAT)技術正處于開發(fā)階段，它和IGCC的主要區(qū)別在于用一個燃氣輪機代替了后者的燃氣輪機和汽輪機。由水蒸氣和燃氣的混合工質通過燃氣輪機輸出有用功，其整體效率可以達到60%，有望成為21世紀的新型發(fā)電技術。

　　4面臨的問題及展望

　　生物質能在我國是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四種能源資源，在能源系統(tǒng)中占有重要地位。當前，生物質氣化技術在實際利用過程中，還存在以下幾個主要問題：

　　a.生物質灰熔點低、堿金屬元素含量高，直接燃燒易結焦和產生高溫堿金屬元素腐蝕；

　　b.生物質氣化時，渣與飛灰的含碳量較高，氣化效率低；

　　c.燃氣中焦油含量高，容易導致產生含焦廢水以及影響設備的正常運行；

　　d.目前氣化發(fā)電機組的尾氣余熱回收效果不好，造成整個系統(tǒng)效率較低。

　　所以，降低燃氣中的飛灰和焦油含量、提高系統(tǒng)效率和可靠性是今后利用生物質氣化技術的主要研究方向。我國生物質能資源十分豐富，僅各類農業(yè)廢棄物的資源每年相當于3.08×10⁸t標準煤，薪柴資源量相當于1.3×108t標準煤。第15次世界能源大會將生物質氣化技術確定為優(yōu)先開發(fā)的新能源技術之一。目前，我國已經建立了500個以上的生物質氣化應用工程，連續(xù)運行的經驗表明，生物質氣化技術對處理大量的農作物廢棄物、減輕環(huán)境污染、提高人民生活水平等多方面都發(fā)揮著積極的作用。