生物質氣化技術進展

李九如+李想+陳巨輝+孫佳偉

摘 要：針對現階段氣化工藝和系統的落后和效率低的問題，生物質氣化技術能有效的解決。采用工藝集成和組合的方法可以實現更高的工藝效率，更好的氣體質量和純度，并且投資成本較低。生物質氣化、熱產氣凈化和調節系統的緊湊型UNIQUE氣化工藝為技術創新提供了發展的機會。熱解和氣化可以獨立控制，也可以在一個多級氣化過程中聯合控制。用于生產多種能源產品的多聯產工藝路線具有高效率和靈活性。

關鍵詞：生物質能；氣化；工藝組合；多聯產

DOI：10.15938/j.jhust.2017.03.025

中圖分類號： TK229

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）03-0137-04

Abstract：In view of the low efficiency of gasification at this stage，the technology of biomass gasification technology can solve it effectively. The method for process integration and combination can achieve higher process efficiencies， the quality and purity of gas will be better， and the investment costs will be lower . The recently developed UNIQUE gasifier which integrates gasification， gas cleaning and conditioning in one reactor unit is an example for a promising process integration. Combine pyrolysis and gasification or gasification and combustion in single controlled stages. Polygeneration strategies for the production of multiple energy products offer high efficiency and flexibility.

Keywords：biomass，gasification，process combination， polygeneration

0 引 言

自從人類發現如何生火，千百年來生物質一直作為主要的能量來源。目前，它在世界能源供應中超過10%，并列為第四大能源，僅次于排在前三位的煤炭、石油和天然氣[1]。與煤或天然氣相比，生物質的一大優勢是它在世界各地都可以得到。例如，印度擁有非常大的煤炭儲量，超過2.5億噸，煤炭儲存在比哈爾邦和東北部。相比之下，生物質均勻、廣泛地分布在全國各地[2]。

氣化是生物質利用的關鍵技術。生物質氣化是以空氣、氧氣或水蒸汽等作為氣化劑，在高溫條件下通過熱化學反應將生物燃料轉化為燃氣的過程。原則上，所有不同類型的生物質都可以通過氣化轉換成合成氣，合成氣主要由氫氣、一氧化碳、二氧化碳和甲烷組成。通過一定的技術手段制造柴油（FT）、二甲醚（DME）、甲醇和甲烷的合成氣。由于運輸、儲存、所產生的合成氣凈化等一系列問題使得使用不同類型的生物質面臨不同的挑戰。最常用的生物質氣化裝置有固定床和流化床。流化床和氣流床氣化爐促使固體生物質和氣化劑充分接觸，提高了反應速率和轉化效率。上述氣化爐類型的性能數據在表1中給出。

1 工藝集成和組合

1.1 緊湊型UNIQUE氣化工藝

生物質氣化、熱產氣凈化和調節系統的緊湊型UNIQUE氣化工藝最初是在專利[3]中提出的。在歐洲通過多家研究機構和私人公司努力聯合研發了UNIQUE氣化工藝為現有的工業設施的技術創新提供了發展的機會。

用于去除顆粒和焦油的催化過濾器元件[4]直接集成到一個流化床蒸汽氣化爐的稀相段。圖1給出了這種新的氣體清潔技術的原理。因為沒有冷卻步驟，催化劑和吸附劑的活性增加，同時在整個轉換過程中保持高的熱效率，在反應器出口避免了顆粒夾帶產氣。其結果是，把傳統的一次和二次熱氣體處理的一些主要優點結合在一起，防止固體顆粒催化劑堵塞，減少了熱能損失。UNIQUE氣化工藝（催化過濾和生物質氣化集成在一個反應器）可以促進焦油轉化，有效消減微粒，提供高純度的產氣。即使在中小規模的發電廠，發電效率也較高，提高了整體的經濟效益。

1.2 多級氣化

開發和使用多級氣化過程的主要原因是其可以降低焦油含量和提高產氣純度。此外，與單級氣

化相比，整個氣化過程的效率和產氣的質量和數量都得到了增強。最近已研發了幾個分離熱解和氣化區的氣化工藝。例如丹麥技術大學研發了Viking氣化爐、德國Choren公司已建成大型的三級CarboV工藝、哈爾濱工業大學研發的兩段式生物質旋風高溫熱解氣化爐和丹麥東能源公司開發的LTCFB（低溫循環流化床）氣化工藝[5-7]。

Viking氣化爐（參照圖2）是一個兩段式熱解氣化爐，熱解反應器的出口直接結與氣化反應器相連接。在熱解和氣化區之間通入空氣，用來氣化熱解產物，合成氣中的焦油含量降到小于15mg/mN3。產生的氣體中含有約32%H2、16%CO、20%CO 2、30%N 2和約2%CH4。該氣體的熱值較高約為6.6mg/m N3，冷煤氣效率為93%[8]。

圖3給出了CarboV氣化工藝。第一階段生物質在熱解反應器中進行，稱為低溫氣化。第二階段經過除塵的熱分解氣體和再循環炭在燃燒室中用純氧氧化。第三階段熱解反應器中產生的炭與階段二產生的燃燒氣體（氣化劑）進行氣化。在1MWth電廠長期運行表明CarboV氣化工藝適合生產生物燃料。CarboV氣化工藝冷氣體效率為82%，幾乎不產生焦油。計算產氣得出：34.6% H2、36.8% CO、22.6% CO2、1.7% N 2、0.4 CH 4和3.9% H2O [9]。

2 多聯產工藝路線

2.1 熱、電聯產

我國熱電聯產市場在過去二十多年進展較快，目前已位居世界前二位[10]。生物質燃燒熱電聯產已經得到廣泛應用。近幾年來，生物質氣化熱電聯產的成功運作證明了技術的整體可靠性[11]。例如26MWth Skive電廠（啟動于2006年）、8.5MWth Oberwart電廠（啟動于2008年）、2MWth Wiener Neustadt電廠（自2003至2007年）以及15MWth德國Ulm電廠（啟動于2012年）[12]。上述電廠，總工藝效率約為90%，生物質發電率為25～31%。

2.2 合成天然氣、熱、電合成聯產

在過去的10年中，生產生物質合成天然氣已經獲得了越來越多的關注，一些研究群體已對其進行了研究，例如荷蘭能源研究中心（ECN）和瑞士PaulScherrer研究所（PSI）。生物質合成天然氣是一種可再生的清潔燃料，可以在供暖、熱電聯產和運輸方面替代化石燃料[13-14]。現有的天然氣管道系統為合成天然氣的運輸和儲存提供了優勢。

生物質在高溫條件下氣化產生合成氣，甲烷化反應之前所產生的合成氣需要凈化和調節。氣體凈化的目的是去除顆粒、焦油、堿和硫。氣體調節通常包括水氣轉化反應，需要H2/CO為3或更多。甲烷化反應使CO 和H2轉化成CH4和H2O。甲烷化反應后，除去水和CO2以及雜質中未反應的氫以達到所需的氣體質量。

整體煤氣化聯合循環（IGCC）工藝是燃氣渦輪機與蒸汽渦輪機組合以產生電力。自90年代中期IGCC工藝已被用于煤的氣化，200～300MW的電廠具有高達46%的電力效率[15]。生物質IGCC工藝已應用于瑞典18MWth示范工廠。該廠具有32%的凈電效率和83%總的凈效率。

3 氣化新技術

3.1 等離子氣化

國外等離子氣化技術起源于 20 世紀 60 年代。等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體。在真空壓力下產生冷等離子體，而在大氣壓下產生熱等離子體。熱等離子體溫度在103～106K，接近熱力學平衡。等離子氣化工藝主要包括原料的預處理、氣化、合成氣的凈化、熱回收以及產品利用。圖4給出2個不同的直流電弧等離子發生器。

等離子體氣化的優點是產氣具有高H2和CO含量，低CO2含量，低焦油濃度，高熱值，并可用于濕生物質，如污水污泥，生物質的顆粒尺寸和結構對其沒有影響。缺點是等離子體的高電力消耗，高投資成本，效率較低。Hlina[16]在約有100kW輸入功率的直流電弧等離子體對木屑的氣化進行了研究。用少量的氬氣與水蒸氣的混合物作為等離子體氣體。加入CO2或水蒸汽作為氧化介質。產生的高品質合成氣中H2和CO約占90%。

3.2 超臨界水氣化

從20世紀70年代中期開始已經對超臨界水中有機碳氫化合物的轉換和氣化進行了基礎研究[17-18]。水在其超臨界狀態——高于臨界點P=22.12MPa和T=374.12℃，作為溶劑和反應物其具有獨特的性質。在超臨界水中生物質氣化的主要優點是對含水量高的生物質可以直接氣化，不需要高能耗的干燥過程。具有高氣化效率，不產生焦油、木炭等副產品，不會造成二次污染。主要缺點是投資費用較高。

閆秋會[19]等利用生物質/煤共超臨界水氣化制氫的實驗裝置（見圖5）以羧甲基纖維素納（CMC） 為添加劑， 獲得的主要氣化規律如下： 在溫度（350～700℃） 、壓力（20～35MPa） 和物料（CMC+煤） 的質量分數w（1.1%～2%）的范圍內， 主要氣體產物是H2、CO2 和 CH4。

4 結 語

本文介紹了國內外生物質氣化新技術的研究進展， 分析了阻礙生物質氣化技術商業化運行的主要因素。雖然生物質氣化技術已經取得了一定的進步，但與傳統煤氣化技術相比，尚存在焦油含量偏高、轉化率低、氣體中雜質成分復雜、經濟性不好等問題。盡管如此，生物質能具有低硫和CO2零排放等諸多優點，許多國家已將其列為重點項目。為了促進生物質氣化利用，需要有先進的理念最大化的提高合成氣產量、優化產氣質量、提高整體工藝效率。工藝集成和組合可以提高工藝效率、氣體質量和純度，并且投資成本較低。熱解和氣化可以獨立控制，也可以在一個多級氣化過程中聯合控制。用于生產多種能源產品的多聯產工藝路線具有高效率和靈活性。目前，國家大力推進生物質氣化技術的應用和發展，與其他能源行業相比，呈現出蓬勃發展和交叉發展的態勢[20]。

參 考 文 獻：

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（編輯：溫澤宇）