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生物质气化

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  生物质能源是绿色植物将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内的能量,通常包括: 木材及森林工业废弃物农业废弃物生活有机废弃物水生植物油料植物等。世界能源消费中仅次于三大化石能源位列第四,占比达14%。据统计资料介绍,2009年,欧盟生物质能源的消费量约占欧盟能源消费总量的6%,美国的生物质能源利用占全国能源消费总量的4%,瑞典为32%。我国是个农业大国,生物质资源丰富,生物质能占能源消耗总量的20%,农村总能耗的65%以上为生物质能,其中薪材消耗量约占总能耗的29%。

  生物质能源是一种理想的可再次生产的能源,具有以下特点:(1)可再生性;(2)低污染性(生物质硫含量、氮含量低,燃烧过程中产生的SO2、NO2较低,生物质作为燃料时,二氧化碳净排放量近似于零,可有效地减少温室效应);(3)广泛的分布性。缺乏煤炭的地域可充分的利用生物质能。典型生物质的密度为400~900kg/m3,热值为17600~22600kJ/kg。表1分别是几种典型生物质燃料的元素分析和工业分析。

  生物质能的研究开发,主要有物理转换、化学转换和生物转换3大类。涉及到气化、液化、热解、固化和直接燃烧等技术。生物质能转换技术及产品如图1所示。

  生物质气化是一种热化学转换技术,利用空气、氧气或水蒸气作为气化剂,将生物质转

  化成可燃气体的的过程。生物质气化可将低品位的固态生物质转换成高品位的可燃气体,可应用于集中供气、供热、发电以及作为化成化工品和原料气等。

  图2是上吸式固定床气化炉的原理图,生物质从上部加入,气化剂从底部吹入,生成的气体从上部离开气化炉。气化炉中参加反应的生物质自上而下分为干燥层、热分解层、还原层和氧化层。

  从上面加入的湿物料在干燥层同下面反应层生成的热气体进行换热变成干物料落入热分解层,产生的水蒸气排出气化炉。干燥层温度为100~250℃。

  生物质受到氧化层和还原层生成的热气体后发生裂解反应,大部分挥发分从固体中分离出去,由于裂解需要大量热量,热分解层温度已降低到400~600℃。裂解区产物为炭、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油以及其他烃类物质等,这些热气体继续上升,而炭则进入下面还原区。

  还原层中没有氧气存在,在氧化层中生成的二氧化碳在这里同炭及水蒸气发生还原反应,生成一氧化碳和氢气。主要方程式如下:

  由于还原反应吸热,还原区温度也降低,为700~900℃。还原区主要产物为一氧化碳、二氧化碳和氢气。

  气化剂由底部进入,在经过灰渣层时与热灰渣进行换热,进入氧化层同炽热的炭发生燃烧反应,生成二氧化碳和一氧化碳,同时放出热量。温度可达1000~1200℃,为整个气化炉提供热源,热载体是上升的气体。

  按使用的气化剂的不同分类,生物质气化可分为干馏气化(不使用气化剂),空气气化,氧气气化,氢气气化,水蒸气气化和复合式气化等。

  干馏气化是在完全无氧或只提供极为有限氧的情况下进行的生物质热解气化,其原理为生物质挥发分在一定温度作用下能够挥发生成固体炭(28~30%)、木焦油(5~10%)、木醋液(30~35%)和生成气(25~30%)。干馏气化需提供外部热源以使干馏反应得以连续进行,干馏气化生成气的热值约为15000kJ/m3。

  水蒸气气化不仅包括水蒸气和碳的还原反应,也包括CO与水蒸气的变换反应和甲烷化反应等。水蒸气气化一般不单独使用,而是与氧气(或富养空气)气化联合采用。生成气热值能够达到11000~19000kJ/m3。

  氢气气化是使氢气与炽热的炭及水蒸气发生反应生成大量甲烷的过程,热值达22000~26000kJ/m3。其反应条件苛刻,需要氢气做原料,故不常应用。

  固定床气化炉可分为下吸式、上吸式、横吸式和开心式,基本结构和气化反应原理示意图如图3所示。

  固定床下吸式气化炉(Downdraft fixed bed)的基本结构和气化反应示意图如图3A所示,生物质原料从顶部加入,空气从上部进入,向下经过各反应层,燃气由反应层下部吸出。其最大的优点是燃气中焦油含量比上吸式低许多,挥发分中的焦油在氧化层和还原层中得到某些特定的程度的氧化和裂解。下吸式一般都会采用安装在气化炉系统下游的罗茨风机或真空泵将空气吸进气化炉,气化炉环境为微负压,故加料口不需要严格密封就可以实现连续进料,但同时导致炉膛下部连续出灰困难,需加专门出灰装置或者停机出灰。最大缺点是炉排处于高温区,

  固定床上吸式气化炉(Updraft fixed bed)的基本结构和气化反应示意图如图3B所示,优点:出炉可燃气温度较低,热效率提高;炉排受到进风的冷却,不会非常容易损坏;热分解区和干燥区对可燃气体有一定的过滤作用,出炉气体灰分含量少。缺点:添料不便,一定要采取专门的加料措施才能轻松实现连续加料,出炉气体含挥发分物质较多(以木材为原料气化,气体中焦油含量会高达20g/m3以上)。

  横吸式固定床气化炉(图3C),生物质原料从顶部加入,灰分落入下部的灰室。气化剂从位于炉身一定高度处的单管风嘴以高速送入炉内,所产燃气由对面炉栅处被吸到炉外。所用原料多为木炭,反应温度很高。

  开心式固定床气化炉(图3D)类似下吸式固定床气化炉,不同的是其炉栅中间向上隆起,气化原料多为稻壳,灰分较多。工作过程中炉栅绕它的中心垂直轴做水平的回转运动,防止堵塞炉栅。

  流化床气化炉的反应物料中常混有砂子、橄榄石等惰性材料,在从炉体底部通入大压力的气化剂的作用下,物料颗粒、砂子、气化剂接触充分,在炉内呈现沸腾、鼓泡等状态。大体上分为单流化床气化炉,循环流化床气化炉和双流化床气化炉等,基本结构和工作过程示意图见图4。

  单流化床气化炉(Bubbling fluidised bed,BFB)的基本结构和工作情况如图4A所示,生物质原料在分布板上部被输送到炽热砂床中热分解生成炭和挥发分,气化剂从底部气体分布板吹入反应器中,使在流化床上同生物质热分解产物彻底混合并进行气化反应。与固定床相比,流化床气化的主要优点是炉内混合好,故气化效率和气化强度都比较高;床层温度不高且均匀,因此灰分熔融结渣的可能性低。它适合颗粒较大的生物质原料,但存在飞灰和炭粒夹带严重,运行的成本大等问题,仅适合于大中型气化系统。

  循环流化床气化炉(Circulating fluidised bed, CFB),如图4B所示,与单流化床气化炉的主要区别在燃气出口设有旋风或者袋式分离器,将可燃气携带的炭粒和砂子分离出来,返回气化炉中再次参加气化反应。循环流化床气化炉以空气为气化剂时的操作特性见表2。

  与单流化床气化相比,循环流化床的主要优点是,操作气速能大大的提升,故气化效率和气化强度能更加进一步提高;可以适用更小的物料粒径,通常不需加流化热载体,运行较简单。缺点是回流系统控制困难,料脚容易发生下料困难,且在炭回流较少的情况下变成低速携带床。

  双流化床气化炉(Dual fluidised bed, Dual FB),又称串联流化床气化炉,如图4C所示,分为两个组成部分,在气化炉中生物质原料发生气化反应,生成气携带着炭颗粒和床层物料如砂子等进入分离装置,分离后的炭颗粒和床层物料进入氧化炉,炭颗粒在氧化炉中进行氧化反应,使床层温度升高,高温烟气携带着床层物料进入分离装置,分离的床层物料重新进入气化炉,从而为生物质气化提供热量。双流化床气化将气化和燃烧过程分隔开,燃料不与空气直接接触,从而避免了气化产物被氮气稀释,提高气化产物的品质。其设计关键是控制好床层物料的加热温度和循环速度,难度主要在于必须要在两床之间获得一个稳定的能量平衡操作范围。热解产生的可燃气体不会被燃烧产生的烟气稀释,燃气热值可达12000~15000kJ/m3。这种气化炉尚处于实验机理研究阶段。

  生物质气流床(Entrained flow, EF)气化是指生物质被粉碎成一定颗粒后,由惰性气体携带输送与气化剂并流进入气化炉,在大于1000℃条件下进行气化反应,得到生物质气。该气化方法具有气流速度快、气化强度和反应温度高、生产能力大及环保性能好等优点。在国外,从事生物质气流床气化技术研究的主要有荷兰能源研究中心(Energy research center of the Netherlands, ECN)、BTG(Biomass technology group)、德国Institu fǜr Technische Chemie 与科林公司(CHOREN)、瑞典皇家工学院(KTH)以及意大利UnivesitadiPisa等研究机构。

  国内对生物质气流床气化的研究刚刚起步,主要研究机构有上海理工大学、华东理工大学和浙江大学等。

  常规气化主要依靠燃料自身的部分放热反应来维持气化炉反应温度,若进一步提升气化温度,则必须引入外热源。等离子体电弧将电能转化为热能,能够提供高温反应环境,有利于高温吸热反应发生,是一种高品味的外热源。采用等离子体气化,其核心温度可达6000℃以上,炉内平均温度可达1000~1600℃,电子/化学反应能力高,裂解彻底,可将有机物完全转化成小分子合成气,而无机物则可变成玻璃体的无害灰渣,基本原理如图6所示。等离子体(Plasma)气化技术的特点是能耗巨大,气化规模大( 常规气化通常小于200t/d,等离子体气化能达1000t/d),主要用于处理危险废物和垃圾。

  生物质气化技术出现于18世纪,在二战期间,特别自20世纪70年代爆发石油危机以后,生物质能源的开发和研究获得了各国的重视。经过几十年的发展,欧美等国的生物质气化技术取得了很大的成就,主要以流化床、气流床以及等离子生物质气化炉为主,且普遍设备规模大,自动化程度高,工艺复杂,气化效率可达60~80%,可燃气热值为17000~25000kJ/m3。主要以供热、发电和合成液体燃料为主。国外主要生物质气化炉的容量以及首次运行时间如图7所示。表3列出了国外部分生物质气化炉。

  生物质气化领域处于领先世界水平的有瑞典、丹麦、奥地利、德国、美国和加拿大等。瑞典和丹麦正在实行利用生物质进行热电联产的计划。美国在利用生物质发电方面领先全球。总装机容量达10500MW,70%为生物质-煤混合燃烧气化技术,单机容量

  我国生物质气化研究始于20世纪80年代,自行研制的用于集中供气、发电、供暖气化炉等产品已进入实用化试验及示范阶段,形成了多个系列的气化炉,国内的典型生物质气化炉如表4所示。但其容量多是小型的,以固定床生物质气化炉为主,煤气热值低(一般为4000~5000kJ/m3),大容量的气化设备仍处于实验室研究阶段。

  生物质流态化气化研究方面,国内开始于90年代初。中国科学院广州能源所从六五 开始承担相关国家研究课题,进行了许多循环流化床生物质气化的研究,并于2007年来建造了5.5MW生物质气化联合循环发电示范电站。

  山东省科学院能源研究所的发表关于双流化床生物质气化炉试验研究成果,搭建的冷态试验系统:燃烧炉内径100mm,高5000mm;气化炉内径211mm,高1900mm。

  中国林业科学研究院林产化学工业研究所于开发了内循环锥形流化床气化炉,并建立了多套生物质气化发电系统。

  浙江大学热能工程研究所在2003年开始对双流化床物料循环系统进行了较为初步的实验研究,并于近年建立了1MW的双流化床气化装置。

  河南能源所和沈阳农业大学分别从国外引进了流态化试验设备,但均未能开展进一步的应用研究。2001年辽宁能源研究所从意大利引进了方型流态化试验设备,但是目前尚未开展研究工作。

  注:知网文献检索是以生物质气化和相关单位为关键词在知网上检索所得结果,第一个数字为搜索总条数,第二个为最近文献的发表时间

  20世纪90年代,中国科学院广州能源所(Guangzhou institute of energy conversion, Chinese academy of science)进行循环流化床的研究,在生物质气化发电技术探讨研究、开发和商业化方面取得了不少成果和经验。“九五”期间进行了“1MW生物质气化发电系统”的研究,旨在开发适合中国国情的中型生物质气化发电技术。1998年第一台循环流化床气化装置与内燃机发电机组配套,出力1MW的稻壳气化发电机组,在福建莆田华港米业公司的碾米厂成功运行。“十五”期间,“国家863计划”在1MW的生物质气化发电系统的基础上,研制开发出4~6MW的生物质气化燃气——蒸汽联合循环发电系统,在江苏兴化建成了示范工程,燃气发电机单机功率为500kW,系统效率也提高到28%,为生物质气化发电技术的产业化

  奠定了很好的基础。中国科学院广州能源研究所在生物质流化床气化发电方面做了大量的研究工作并成功搭建了20多处MW级电站。有报道称,目前广州能源所在进行生物质气流床气化技术的研究。图8是部分工程案例图片。图8A混流式固定床气化炉装置;

  图8B.江苏兴化5.5MW生物质气化—蒸汽联合循环发电,相关指标,年发电量三千万千瓦时,燃料耗量36000吨/年,原料为稻壳、稻杆、木屑、花生壳,系统净发电效率28~30%;

  图8C福建莆田1MW谷壳气化发电系统,1998年循环流化床气化装置与内燃机发电机组配套的稻壳气化发电机组在福建莆田华港米业公司的碾米厂成功运行;

  图8D海南三亚1MW木粉气化发电系统,1999年,以木材厂中的木材废料作为燃料,通过气化炉将其转化成可燃气,净化后送到内燃机进行发电,由5台200kW发电机组组成,每天消耗木屑30吨,年发电量554万千瓦时。

  由林科院林产化工研究所主持完成的国家“十五”攻关课题“小型生物质气化发电系统系列化开发”(课题编号:2001BA403B03)中的锥形流化床生物质气化技术科技成果通过鉴定,达到了国际领先水平。该技术产品生物质燃气经南京市产品质量监督检验所等单位检验测试,各项指标均符合NY/T443-2001《秸秆气化供气系统技术条件及检验收取规范》的要

  求。自2002年以来,在国内成功实现了生物质热解气化技术在集中供气、锅炉供热、燃

  气发电等应用领域的产业化,成套装备出口东南亚、非洲等9个国家获得用户好评。

  1、安徽望江联河米业400kw稻壳气化发电机组,已经连续稳定运行12个月(06年10月

  文献)。试验数据表明,原料稻壳含水量14.2%,煤气热值5000度KJ/m3,系统效率15%。

  2、安徽舒城友勇米业有限公司粮食加工厂建立了4683.84万KJ/h稻壳流化床气化供热机

  组示范装置,原料可用稻草、麦草等软秸秆和稻壳等农业剩余物,燃气热值稳定输出5200kJ/m3以上,最高达6000kJ/m3,焦油含量小于20mg/m3,已经投入运行,原料稻壳含水量14.7%,。

  3、江苏太仓市建立可供200户居民生活用气的秸秆流化床气化集中供气机组,已稳定运

  (2)采用下吸式气化结构,部分焦油能够在炽热焦炭层中裂解,减少了燃气中的焦油含量。

  (3)通过合理的喷嘴设置,在气化炉喉部形成旋风式空气动力场,保证了空气与物料的良好混合,使燃烧反应充分完全,也提高了对负荷的适应能力。

  (4)采用填料式旋风分离器,能够有效地去除产出气中的飞灰颗粒,同时也能去除部分焦油。

  (5)水冷式气体清洗器配合木屑填料过滤器,能够最大限度地去除燃气中的焦油。

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