生物質氣化技術

生物質燃料在高温及缺氧條件下，熱解產生一氧化碳與氣化介質(通常有空氣、氧氣、水蒸氣或氫氣)，在一定條件下發生熱化學反應，產生以CO、H2或CH4為主要成分的可燃氣體的轉化過程。

Ghaly首次提出了將氣化技術應用於生物質這種含能密度低的燃料。生物質的揮發分含量一般在76%~86%，生物質受熱後在相對較低的温度下就能使大量的揮發分物質析出。生物質氣化技術原理及應用分析【摘要】生物質能是一種理想的可再生能源。由於分佈廣泛、有利於環保等特點，因而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。本文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。應用較多的氣化技術是生物質氣化供氣和生物質氣化發電技術。文中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後利用生物質氣化技術的發展方向。

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，使原料發生部分燃燒。儘可能將能量保留在反應後得到的可燃氣中，氣化後的產物含有H2、CO及低分子的

CmHn等可燃性氣體。整個過程可分為：乾燥、熱解、氧化和還原。

（1）乾燥過程生物質進入氣化爐後，在熱量的作用下，析出表面水分。在200~300℃時為主要乾燥階段。

（2）熱解反應當温度升高到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%左右的揮發組分，而煤要到800℃才能釋放出大約30%的揮發分。熱解反應析出揮發分主要包括水蒸氣、氫氣、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氫化合物。

（3）氧化反應熱解的剩餘木炭與引入的空氣發生反應，同時釋放大量的熱以支持生物乾燥、熱解和後續的還原反應，温度可達到1000~1200℃。

（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氣與還原層中木炭發生反應，生成氫氣和一氧化碳等。這些氣體和揮發分組成了可燃氣體，完成了固體生物質向氣體燃料的轉化過程。

1.2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，後者有熱分解氣化。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[3]。如表2所示為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。

氣化技術可燃氣體熱值（標準狀態）（kJ/m3）

用途空氣氣化氧氣氣化水蒸氣氣化氫氣氣化熱分解氣化

5440~732210878~1820010920~1890022260~2604010878~15000

鍋爐、乾燥、動力區域管網、合成燃料區域管網、合成燃料工藝熱源、管網

燃料與發電、製造汽油與酒精的原料

1.3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，可以分為固定牀、流化牀和旋轉牀三種類型[4]。國內生物質氣化過程所採用的氣化爐主要為固定牀氣化爐和流化牀氣化爐。固定牀氣化爐和流化牀氣化爐又有多種不同的形式，其各種類型如圖1所示。

1.3.1固定牀氣化爐[3][5]

固定牀氣化爐是一種傳統的氣化反應爐，其運行温度大約為1000℃。固定牀氣化爐可以分為上吸式、下吸式和橫吸式氣化爐。

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乾、裂解、氣化。其主要優點是產出氣在經過裂解層和乾燥層時，將其攜帶的熱量傳遞給物料，用於物料的裂解和乾燥，同時降低自身的温度，使爐子的熱效率提高，產出氣體含灰量少。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，也可以在部加入。氣化劑與物料混合向下流動。該爐的優點是，有效層高度幾乎不變、氣候強度高、工作穩定性好、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，出爐温度較高。橫吸式氣化爐中，生物質原料由氣化爐頂部加入，氣化劑從位於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。該氣化爐的燃燒區温度可達到2000℃，超過灰熔點，容易結渣。因此該爐只適用於含焦油和灰分不大於5%的燃料，如無煙煤、焦炭和木炭等。

1.3.2流化牀氣化爐流化牀燃燒技術是一種先進的燃燒技術。流化牀氣化爐的温度一般在750~800℃。這種氣化爐適用於氣化水分含量大、熱值低、着火困難的生物質物料，但是原料要求相當小的粒度，可大規模、高效的利用生物質能。按照氣固流動特性不同，流化牀氣化爐分為鼓泡牀氣化爐、循環流化牀氣化爐、雙流化牀氣化爐和攜帶牀氣化爐。

鼓泡牀中氣流速度相對較低，幾乎沒有固體顆粒從中逸出。循環流化牀氣化爐中流化速度相對較高，從牀中帶出的顆粒通過旋風分離器收集後，重新送入爐內進行氣化反應。雙流化牀與循環流化牀相似，如圖2所示，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。雙流化牀氣化爐炭轉化率較高。攜帶牀氣化爐是流化牀氣化爐的一種特例，其運行温度高達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%。

2生物質氣化技術的應用2.1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工藝流程如圖3所示。生物質原料首先經過處理達到氣化爐的使用條件，然後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，在淨化器中除去灰塵和焦油等雜質。經過淨化後的氣體經過水封，由鼓風機送入儲氣罐中，水封相當於一個單向閥，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。最後，燃氣通過燃氣供應網統一輸送給用户。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[4]。

生物質氣化發電技術是研究與應用最多、裝備最為完善的技術。生物質氣化發電有三種方式：（1）作為蒸汽鍋爐的燃料燃燒生產蒸汽帶動蒸汽輪機發電。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。經過旋風分離器除去雜質和灰分後即可使用。燃燒器在氣體成分和熱值有變化時，能夠保持穩定的燃燒狀態，排放污染物較少。（2）在燃氣輪機內燃燒帶動發電機發電。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。（3）在內燃機內燃燒帶動發電機發電。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，氣化氣必須經過淨化和冷卻處理。大型的生物質氣化發電系統均採用燃氣輪機發電機，這是世界上最先進的生物質發電技術。該系統包括兩種發電技術：整體氣化聯合循環（IGCC）和整體氣化熱空氣循環（IGHAT）。由於燃氣輪機系統發電後排放的尾氣温度大於500℃，所以增加餘熱鍋爐和過熱器產生蒸汽，再利用蒸汽循環，可以有效提高發電效率，這就是生物質整體氣化聯合循環，其發電工藝流程如圖4所示。該系統由物料預處理設備、氣化設備、淨化設備、換熱設備、燃氣輪機、蒸汽輪機等發電設備組成。功率範圍在7~30MW，整體效率可以達到40%。整體氣化熱空氣循環（IGHAT）技術正處於開發階段，它和IGCC的主要區別在於用一個燃氣輪機代替了後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2020世紀的新型發電技術。

生物質能在我國是僅次於煤炭、石油和天然氣的第四種能源資源，在能源系統中佔有重要地位。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[1]：（a）生物質灰熔點低、鹼金屬元素含量高，直接燃燒易結焦和產生高温鹼金屬元素腐蝕；（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）氣化發電機組的尾氣餘熱回收效果不好，造成整個系統效率較低。所以，降低燃氣中的飛灰和焦油含量、提高系統效率和可靠性是今後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，僅各類農業廢棄物的資源每年即有3.08×108t標準煤，薪柴資源量為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先開發的新能源技術之一。我國已經建立了500個以上的生物質氣化應用工程，連續運行的經驗表明，生物質氣化技術對處理大量的農作物廢棄物、減輕環境污染、提高人民生活水平等多方面都發揮着積極的作用。