生物質(zhì)氣化技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

趙小玲

(西安科技大學(xué)，陜西西安，710054)

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生物質(zhì)氣化技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

趙小玲

(西安科技大學(xué)，陜西西安，710054)

摘要：生物質(zhì)熱分解(氣化)技術(shù)是生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化技術(shù)的核心之一，分為生物質(zhì)直接氣化技術(shù)和生物質(zhì)間接氣化技術(shù)。生物質(zhì)間接氣化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生物合成氣、熱、電的高效聯(lián)產(chǎn)。本文介紹和分析了歐洲已經(jīng)建成的第一個大型生物甲烷氣示范項(xiàng)目和實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)甲烷氣并網(wǎng)用于汽車用氣和居家燃?xì)獾牧鞒獭?/p>

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)熱分解；生物質(zhì)氣化；BFB氣化爐；CFB燃燒爐；GoBiGas項(xiàng)目；生物質(zhì)甲烷氣

本課題系陜西省教育廳專項(xiàng)項(xiàng)目資金支持，項(xiàng)目編號12JK0601。

生物質(zhì)能是重要的可再生能源，開發(fā)利用生物質(zhì)能，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要內(nèi)容。我國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)在“十二五”期間快速發(fā)展，開發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，有些領(lǐng)域初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前我國在生物質(zhì)的低溫發(fā)酵方面研究和應(yīng)用較多，但生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)及其應(yīng)用，相對歐洲而言存在著一定的差距。

生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是生物質(zhì)能源利用技術(shù)的重要方面[1]，可以實(shí)現(xiàn)高效綜合利用。熱分解(氣化)和熱裂解是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)平臺的兩大核心內(nèi)容，生物質(zhì)氣化技術(shù)包括生物質(zhì)直接氣化和生物質(zhì)間接氣化兩種，本文重點(diǎn)介紹和分析了生物質(zhì)間接氣化技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化高效應(yīng)用的案例。

1生物質(zhì)間接氣化技術(shù)

生物質(zhì)間接氣化技術(shù)適用于多種可再生的生物質(zhì)燃料，包括城市污泥、生活垃圾、農(nóng)作物殘余物、木材殘余物和木質(zhì)生物質(zhì)等。通過生物質(zhì)氣化技術(shù)可以將這些生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高熱值的生物質(zhì)甲烷氣[1]以及熱、電。

生物質(zhì)氣化技術(shù)的核心部分包括：①生物質(zhì)燃料在氣化爐(BFB)中進(jìn)行氣化；②用蒸汽對氣化爐進(jìn)行鼓泡流動；③氣化器中生成的焦炭、焦油在燃燒爐(CFB)中燃燒加熱床底物；④燃燒爐中的床底物返回氣化爐中對生物質(zhì)進(jìn)行氣化。生物質(zhì)間接氣化示意圖見圖1[2]。

圖1　生物質(zhì)間接氣化示意圖

2生物質(zhì)間接氣化流程和工業(yè)化應(yīng)用案例

瑞典的GoBiGas項(xiàng)目[3]，是典型的采用生物質(zhì)間接氣化流程生產(chǎn)生物質(zhì)甲烷氣的工業(yè)化應(yīng)用案例。GoBiGas項(xiàng)目位于瑞典的哥德堡市Harbor港，全名為哥德堡生物質(zhì)氣化項(xiàng)目(Gothenburg Biomass Gasification Projects)。目標(biāo)是通過生物質(zhì)氣化以生產(chǎn)生物質(zhì)甲烷氣，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)甲烷氣通入到城市現(xiàn)有的燃?xì)夤艿溃瑲怏w最終被用作汽車用氣和家用燃?xì)猓越鉀Q天燃?xì)獠蛔愫蛯?shí)現(xiàn)對生物質(zhì)的高效綜合利用。該項(xiàng)目得到了歐盟委員會的支持和資助，由瑞典能源部提供項(xiàng)目資金。項(xiàng)目的工藝過程包括兩個部分：生物質(zhì)氣化流程(芬蘭維美德公司提供生物質(zhì)精煉技術(shù))和粗合成氣甲烷化流程(丹麥Haldor Tops?e公司提供技術(shù))。GoBiGas項(xiàng)目流程圖見圖2。

圖2　GoBiGas項(xiàng)目流程圖

項(xiàng)目分為兩個階段實(shí)施，一期項(xiàng)目是示范項(xiàng)目，生產(chǎn)量為20 MW的生物質(zhì)甲烷氣(類似天然甲烷氣)；二期項(xiàng)目為產(chǎn)量80～100 MW的生物質(zhì)甲烷氣，真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。一期項(xiàng)目已經(jīng)于2014年初正式投產(chǎn)，生產(chǎn)的生物質(zhì)甲烷氣主要用于運(yùn)輸行業(yè)，服務(wù)于全瑞典200多個CNG加氣站，供超過4萬輛燃?xì)廛囕v使用。二期計(jì)劃于2016年投入運(yùn)營。

2.1生物質(zhì)氣化流程

由圖2中生物質(zhì)氣化的流程可以看出，林業(yè)廢渣進(jìn)行干燥處理，然后同木片混合，進(jìn)行燃料化預(yù)處理，再送入鼓泡式流化床氣化爐，這個過程與循環(huán)式流化床燃燒爐結(jié)合，循環(huán)式燃燒爐對生物質(zhì)熱分解后的焦炭、焦油進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生熱和蒸汽，蒸汽用來作為氣化爐的加熱和鼓泡、熱分解和其他的使用，循環(huán)式流化床燃燒爐的床底物進(jìn)入氣化器中循環(huán)對木片和林業(yè)廢渣進(jìn)行熱分解。該過程分解出來的氣體為粗合成氣，其中包含有焦油、顆粒物、硫化物、氮化物、鹵素、重金屬、堿金屬等多種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會導(dǎo)致后續(xù)工藝中出問題，尤其是容易引起甲烷化催化劑失活。因此，這些粗合成氣在進(jìn)入甲烷化工藝裝置前需進(jìn)行清潔凈化過程，去除焦油和硫等雜質(zhì)。循環(huán)式流化床燃燒爐產(chǎn)生的熱和煙道氣可以進(jìn)行利用，以保證生物質(zhì)氣化過程產(chǎn)生的氣和熱都能實(shí)現(xiàn)有效性和環(huán)保性。

2.2合成氣甲烷化流程

在GoBiGas項(xiàng)目中，包括了甲烷化工廠和熱電廠，以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的高能效綜合利用，通過輸入林業(yè)廢渣，輸出車用燃?xì)狻⑸鐓^(qū)供熱和供電。由圖2中的甲烷化流程可以看出，生物質(zhì)氣化出來的粗合成氣經(jīng)過脫焦和脫硫(稱之為合成氣)后，需要進(jìn)行合成氣調(diào)整和合成氣轉(zhuǎn)化才能最終產(chǎn)生生物質(zhì)甲烷氣[4]。

2.2.1合成氣調(diào)整

粗合成氣中H2的比例比CO低，在進(jìn)入甲烷化裝置前需提高H2的比例，以滿足甲烷化反應(yīng)的要求，H2比例的變換也被稱為合成氣調(diào)整。一般通過水氣變換反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。由于前面工序不能完全去除硫化物，水氣變換采用酸性耐硫催化劑。水汽變換的反應(yīng)化學(xué)式見式(1)，同時合成氣中不飽和烯烴也轉(zhuǎn)化為CO和H2小分子。

(1)

2.2.2合成氣甲烷化轉(zhuǎn)化

合成氣進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，就是將H2和CO2轉(zhuǎn)化為CH4。這個過程化學(xué)反應(yīng)式見式(2)和式(3)。

CO2+4H2→CH4+2H2O

(2)

CO+3H2→CH4+H2O

(3)

所有合成氣轉(zhuǎn)化為CH4后，經(jīng)過去除CO2，得到生物質(zhì)甲烷氣。轉(zhuǎn)化過程的技術(shù)核心是催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和催化劑的選擇[5]。目前催化劑一般選擇鈷鉬系或鎳鉬系耐硫催化劑，該催化劑的優(yōu)點(diǎn)在于耐硫、對原料氣體里雜質(zhì)含量適應(yīng)性強(qiáng)。另外，去除出來的CO2被用于其他工業(yè)生產(chǎn)用氣，作為該項(xiàng)目的副產(chǎn)品出售。

2.3一期示范工廠[6]

示范工廠外景圖見圖3。一期示范項(xiàng)目已經(jīng)于2014年12月全面達(dá)產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)了并入城市天然氣供氣網(wǎng)，合成氣中的甲烷氣含量達(dá)到95%以上，每年滿足15000輛小車和400輛公交車的用氣。在生物質(zhì)燃料的使用上更加廣泛和靈活。根據(jù)瑞典的規(guī)劃，目前二期項(xiàng)目正在建設(shè)中。

一期示范工廠運(yùn)行情況：

(1)產(chǎn)出的生物質(zhì)甲烷氣成分：壓力，約500 kPa；CH4>94%；H2<2.0%；(CO2+N2)<4.0%。

(2)能量轉(zhuǎn)化率：生物質(zhì)到生物質(zhì)甲烷氣>65%；能效>90%；年運(yùn)行時間8000 h。

(3)能耗：燃料(木片)32 MW；電能3 MW；熱能(熱油)0.5 MW。

(4)產(chǎn)出：生物質(zhì)甲烷氣20 MW；分布式熱能5 MW；熱泵熱能6 MW。

圖3　GoBiGas項(xiàng)目工廠外景圖

在歐洲，類似工廠還有奧地利的Gussing項(xiàng)目和德國的Senden項(xiàng)目，其主要產(chǎn)出物為熱電，但均不及GoBiGas項(xiàng)目先進(jìn)。而GoBiGas項(xiàng)目是世界上第一個大型氣化生產(chǎn)甲烷的項(xiàng)目。據(jù)悉，2020年前瑞典還將在其他地區(qū)建設(shè)10～15個類似項(xiàng)目，熱分解(氣化)技術(shù)在歐洲的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟。

3結(jié)語

生物質(zhì)熱分解技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)熱、電、氣聯(lián)產(chǎn)，并能推動化工行業(yè)和林產(chǎn)行業(yè)的聯(lián)動發(fā)展，把生物質(zhì)的高效綜合利用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。生物質(zhì)熱分解技術(shù)在環(huán)保方面的貢獻(xiàn)是顯而易見的，更重要的它可以減少人類對化石能源的依賴，實(shí)現(xiàn)能源供給的可持續(xù)性發(fā)展。

采用生物質(zhì)熱分解技術(shù)生產(chǎn)燃?xì)庠谖覈l(fā)展的相對緩慢，一方面是由于化石能源成本相對低廉，另一方面，國內(nèi)的林業(yè)廢渣被直接燃燒或改作別的用途。但隨著政府環(huán)保力度的不斷加大、人們環(huán)保意識的增強(qiáng)和對環(huán)境要求的提高，生物質(zhì)熱分解技術(shù)的應(yīng)用將會是我國解決城市霧霾降低PM2.5和高效利用林業(yè)殘?jiān)⑥r(nóng)作物殘留物和城市垃圾的有效技術(shù)和發(fā)展方向之一，加深和推進(jìn)生物質(zhì)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用勢在必行。

參考文獻(xiàn)

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趙小玲. 生物質(zhì)精煉技術(shù)和生物質(zhì)能源創(chuàng)新[J]. 中國造紙， 2012, 31(12)： 51.

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(責(zé)任編輯：馬忻)

·生物質(zhì)氣化技術(shù)·

Biomass Gasification Technology Introduction and Industrial References

ZHAO Xiao-ling

(Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710054)

(E-mail: youngthinkling@126.com)

Abstract：Biomass pyrolysis technology is just half of biomass thermal converting technology, it includes biomass direct gasification and indirect gasification. Latest technology of biomass gasification can realize the high efficiency integration of biogas, heat and electricity production. This paper introduced the large scale biogas demonstration project and the end product had been supplied to natural gas grid to use for vehicles and residents home using in Europe.

Key words：biomass pyrolysis； biomass gasification； BFB gasifier； CFB combustor； GoBiGas project; biomass methane

收稿日期：2015-11-16(修改稿)

中圖分類號：TS7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2015.12.013

作者簡介：趙小玲女士，講師；主要從事化學(xué)工藝學(xué)研究與教學(xué)工作。