姜建國,張衛杰,孫榮峰,關海濱,許敏
(齊魯工業大學(山東省科學院),a.山東省科學院能源研究所,b.山東省生物質氣化重點實驗室,山東 濟南 250014)
生物質能屬于可再生能源,利用途徑較廣,通過熱化學的方法可以將其轉化為氣體燃料,進而可以做為制氫或化工合成原料氣[1],就這一點而言,熱解氣化利用與其他方式相比更為合理。焦油是生物質熱解氣化過程中必然生成的物質,而且生物質的揮發分含量高的特點決定了生物質氣化過程中產生的焦油量要比煤氣化過程中產生的要多[2],這一特點嚴重制約了生物質熱解氣化技術的發展與應用。焦油的危害大體可歸納為:(1)溫度低于200 ℃時逐漸凝結成粘稠狀液體,與水、飛灰顆粒等雜質結合形成難以清理的混合物,附著在設備及管道內壁,堵塞管道并損害設備;(2)焦油中的酸性成分腐蝕用氣設備及輸氣管道;(3)焦油成分中含量較高的酚、醛、多環芳香烴具有毒性,對接觸人員易造成危害。在生物質燃氣生產中,焦油在相當程度上影響了設備及系統運行的穩定性,因此研究人員都在積極尋找能夠有效脫除生物質焦油的先進技術。生物質焦油的脫除技術主要包括物理脫除技術、熱化學脫除技術以及等離子脫除技術[3],本文對這三項技術的研究進展進行了綜述,探討了生物質氣化過程中焦油脫除技術面臨的問題,并提出相應的解決方法,以期為生物質氣化技術的大規模商業化利用提供借鑒。
對焦油的定義曾經多種多樣,沒有統一標準,1998年在布魯塞爾舉行了擬定焦油測量草案的會議,在會上將焦油定義為分子質量大于苯的有機物的總和[4]。MILNE等[5]將焦油定義為所有有機材料在熱解氣化過程中產生的有機物組分,主要為芳烴類化合物。周勁松等[6]則將苯及其衍生物、多環芳烴等碳氫化合物的混合物定義為焦油。目前通常認為生物質焦油是一種當溫度高于300 ℃時以氣體形式存在、溫度低于200 ℃時冷凝成黑褐色黏稠狀有機化合物的混合物。焦油中有機化合物的成分隨著生物質原料的種類、含水率、氣化溫度、升溫速率等的不同存在一定差別。
生物質原料在環境溫度大于200 ℃的工況下,開始發生熱分解反應,構成生物質的大分子間的化學鏈發生斷裂,產生揮發分氣體、焦油、木醋液和焦炭等產物,且析出的氣態產物隨溫度的升高逐漸增多;當環境溫度達到400 ℃時,熱分解反應過程明顯變緩,大部分焦油組分析出完畢。在熱解過程中,開始產生的較大分子物質一般是像羥基乙醛、左旋葡萄糖、甲氧基酚等生物質原料原始分子結構中的片斷,這些片斷很不穩定,容易分解,被稱作初級焦油;初級焦油隨著溫度的逐漸升高繼續發生熱裂解,分子結構進一步斷裂形成主要由酚類及烯烴類產物組成的二級焦油;溫度的繼續升高使二級焦油再次發生熱裂解并最終形成三級焦油。生物質焦油自身的不穩定性決定了其有機化合物組成成分的復雜性,其中的有機化合物組分大約有200多種,只有100多種被分析辨別出來[7],如苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚等物質在生物質焦油中的質量分數均超過5%,苯及5環以上的碳氫化合物含量約占70%~90%。
生物質燃氣中焦油的能量約占燃氣總能量的5%~10%[8],焦油的存在不僅會降低生物質氣化系統的整體能源利用效率,還會阻礙后續工程應用的順利開展。由于生物質焦油總量較小、成分過于復雜等因素,目前還沒有特別有效的利用方式。輸送不暢是生物質焦油完全燃燒利用的最大難題,而且在焦油完全燃燒過程中將會產生大量細微的炭黑粉塵顆粒,損壞燃燒設備及煙氣管道,從而對系統穩定運行造成嚴重影響。除此之外,焦油在燃燒過程中產生的煙氣也會對人的健康和大氣環境造成危害[9-11]。因此,為從根本上減少或消除生物質氣化過程中產生的焦油,研究開發行之有效的生物質焦油脫除技術是當前面臨的首要問題。
生物質焦油的物理脫除技術主要是采用物理分離的方法,使用分離設備將焦油從生物質燃氣中捕集出來。物理脫除技術包括干式、濕式脫除技術,干式脫除技術主要設備有干式過濾器和旋風分離器,濕式脫除技術主要設備有噴淋水洗塔、文丘里和濕式靜電除塵器。
物理脫除技術是目前使用較多的焦油脫除技術,研究與工程應用比較廣泛,適用于生物質燃氣中焦油的初步去除。在干式脫除技術方面,吳悠等[12]認為將燃氣通過裝有具有較強吸附能力物質的容器,容器內填充玉米芯或其他生物質、活性炭、濾網等,將焦油阻留在吸附材料上,材料易得,操作簡便,但使用過的吸附材料難以處理,同時過濾效率并不太高,常常需要與其他方法聯合使用;何伯翠[13]經過研究發現,圓筒式旋風分離器對于粒徑為100 μm左右的焦油顆粒分離效率小于60%~70%,擴散式旋風分離器用于捕集粒徑10 μm以下的顆粒;董玉平等[14]用數值模擬的方法對焦油在旋風分離器中的分離特性進行了研究,發現旋風分離器對10 μm左右粒徑的焦油液滴的分離效率可達97.7%。在濕式脫除技術方面,金亮等[15]采用濕式噴淋裝置和干式過濾裝置相結合的聯合過濾方法對燃氣進行凈化,焦油脫除效率達到99.5%以上,1 Nm3燃氣中焦油灰分維持在10 mg以內,達到燃氣凈化需求;常家富等[16]對文丘里凈化生物質燃氣焦油特性進行了研究,結果表明,文丘里壓力損失約為7 500 Pa,焦油凈化效率達90%以上;孫云娟等[17]發現使用濕式靜電除塵器對粒度為0.05 μm的焦油顆粒去除效率可達99%以上。
物理脫除技術最大的優點是設備結構簡單、操作簡便且運行成本低廉,比較適用于中小型生物質氣化系統中焦油的初級凈化。但也存在著諸多缺點,如焦油從生物燃氣中分離出來之后不做進一步處理,只進行簡單填埋,會對土壤及地下水造成污染;焦油自身含有的能量得不到有效利用,導致生物質氣化系統整體能源利用效率降低。因此,從本質上看物理脫除技術并沒有真正解決生物質氣化過程中的焦油問題。
生物質焦油的熱化學脫除技術主要包括催化裂解脫除技術和高溫裂解脫除技術,催化裂解脫除技術通過在氣化反應過程中加入催化劑達到降低焦油裂解溫度及提高裂解效率的目的,而高溫裂解脫除技術通過創造高溫環境達到焦油快速裂解的目的。
2.2.1 催化裂解脫除技術
催化裂解脫除技術是指在低于熱裂解溫度條件下,在氣化爐或熱解裝置中加入催化劑,通過催化劑的作用使生物質焦油分解成氫氣、一氧化碳、甲烷等小分子的氣體[18]。由于催化劑的使用,生物質焦油的裂解反應溫度可降低至900 ℃以下,這樣就大幅降低了焦油裂解過程所需的能耗并提高了焦油的裂解效率。目前,在生物質焦油裂解過程中添加的催化劑主要有天然礦石和合成催化劑,天然礦石催化劑有白云石和橄欖石等,合成催化劑有鎳基催化劑、堿金屬催化劑、新型金屬催化劑等。
2.2.1.1 白云石和橄欖石
研究發現,在非金屬氧化物催化劑中最具有代表性且研究最多的是白云石催化劑[19]。由于其具有價格低廉、容易獲得、對生物質焦油的裂解脫除具有較高活性等優點,被廣泛用于生物質氣化過程的焦油脫除。Han等[20]將富含Fe2O3的白云石作為生物質燃氣中焦油裂解的催化劑,實驗結果表明,焦油轉化率達95%以上,而且在增加生物質燃氣產量及熱值的同時提高了生物燃氣中氫氣組分的摩爾濃度。鞏偉等[21]將乙酸和苯作為焦油模型化合物,并在固定床反應器上進行了自制多孔白云石顆粒催化裂解的動力學實驗研究,結果表明,乙酸及苯的轉化率隨反應溫度的升高、停留時間的增加而提高,當反應溫度為1 123 K、停留時間為2.0 s時,乙酸和苯的最大轉化率分別為99.8%和18.7%。卜憲昵等[22]以甲苯為焦油組分的模型化合物,在固定床反應器中對三種不同產地鎂橄欖石的焦油催化裂解活性進行了評價,結果表明在溫度為800 ℃,水碳比為1.5的條件下,產自湖北的鎂橄欖石幾乎能將甲苯完全轉化為富氫氣體,而產自陜西及河南的鎂橄欖石的催化裂解活性較差。但白云石本身強度低、易粉碎且易隨著反應進行失去活性[23],橄欖石也存在著比表面積小和由于積碳易失活等缺點[24]。
2.2.1.2 鎳基催化劑
鎳基催化劑具有價格低廉、易獲得且催化活性較高、易再生的優點,其催化活性約是白云石催化劑的8~10倍[25],是目前焦油裂解過程中應用最多的催化劑。但鎳基催化劑存在抗積碳性較差,活性金屬燒結易失活的缺點,因此近年來有研究人員嘗試通過添加催化劑助劑或改變載體種類來改善其性能。Heo等[26]將甲苯作為焦油模型化合物,在鎳基催化劑載體種類方面開展了研究,結果表明,加入鎳/白云石催化劑可使裂解氣中氫氣含量及甲苯轉化為CO和CO2的效率達到最高。王鐵軍等[27]以白云石為載體制備鎳基催化劑,并對松木粉在氣化工況下產生的焦油開展了催化裂解實驗研究,結果表明,以100~120目白云石粉為載體,經高溫煅燒后的鎳基催化劑在700 ℃反應條件下對H2和CH4具有很好的選擇性。Gallego等[28]經過研究發現,以Ni-La2O3作為裂解催化劑時,在700 ℃的工況下CH4和CO2的轉化率均可達到90%以上,且該催化劑連續反應100 h后仍具有較高的穩定性。Behnia等[29]經過研究發現,在鎳基催化劑中添加釕作為催化劑助劑不僅增加了鎳的分散性,還提高了其還原能力,因此取得了抑制焦油和炭的生成的同時也提高了氣化效率的效果。王晨光等[30]將萘作為焦油的模型化合物,采用浸漬法制備Ni-Mg整體式催化劑并開展了研究,結果表明,裂解轉化率在108 h的連續反應中未出現下降,且整個過程的平均轉化率達到92%,說明了該催化劑具有非常好的催化活性以及抗積炭性能。
2.2.1.3 堿金屬催化劑
堿金屬催化劑是以堿金屬為主要催化活性組成成分的金屬催化劑,主要構成成分有堿金屬氧化物、堿金屬碳酸鹽及堿金屬氯化物等。蔣劍春等[31]使用三種堿金屬催化劑K2CO3、Na2CO3和CaO分別在上吸式固定床氣化爐及流化床氣化爐中開展了生物質焦油裂解的催化效果研究,結果表明,與其他兩種催化劑相比,CaO降低焦油含量的作用更加明顯。Encinar等[32]在二氧化碳氣體環境中添加不同金屬化合物作為催化劑助劑,研究不同助劑對生物質焦油催化重整的影響,研究發現,以金屬氯化物ZnCl2作為催化劑助劑時,裂解氣體產物中氫氣的含量會出現較大的提高,并抑制了甲烷的生成;而以NaCl,KCl和AlCl3作為催化劑助劑時,可以促進一氧化碳及甲烷的生成。堿金屬催化劑由于其特性易與生物質焦油發生反應,達到裂解凈化生物質焦油的目的,因此是目前研究的重點,但堿金屬催化劑存在著抗積炭性較差、易團聚、易失活等缺點。
2.2.1.4 新型金屬催化劑
為解決鎳基催化劑及堿金屬催化劑存在的種種缺點,國內外學者開始研究新型金屬催化劑。Takise等[33]以甲苯作為焦油模型化合物,采用金屬鈷負載的催化劑進行了催化裂解實驗研究。結果表明,金屬鈷負載的催化劑表現出穩定性高和活性持久的特點,而且焦油在催化裂解過程中形成的焦炭很少。但由于新型金屬催化劑制造成本較高,目前研究較少,且暫時停留在實驗室階段。
催化劑作為生物質焦油催化裂解脫除技術中的關鍵因素,其催化轉化效率、反應活性的持久穩定性及使用成本的高低決定了該技術能否大規模應用于生物質氣化生產實踐中,因此研究開發高穩定性、高轉化率、高反應活性、價格低廉的催化劑成為未來技術發展的方向。
2.2.2 高溫裂解脫除技術
高溫裂解脫除技術通過制造高溫環境,使大分子焦油成分通過分子鏈的斷裂脫掉氫和烷基以及一些其他自由基反應轉變成小分子氣體或其他化合物。因此,溫度的高低對焦油的熱裂解過程具有顯著的影響,隨著熱裂解溫度的升高,焦油裂解轉化率和氣體產物產率都會逐漸增大。

圖1 復合式低焦油固定床生物質氣化裝置Fig. 1 Compound low tar fixed bed biomass gasification device
Phuphuakrat等[34]通過實驗證明,熱裂解溫度達到900 ℃以上時可實現焦油的高效轉化,而若要實現焦油的完全轉化,熱裂解溫度至少要達到1 250 ℃以上。齊國利[35]通過焦油熱裂解實驗發現,當反應溫度在800 ℃時,生物質氣化焦油產率為1.5%,升高到1 000 ℃時,焦油產量達到毫克級別,1 200 ℃時焦油產率為11.7 mg/Nm3,1 300 ℃時沒有焦油產生。
山東省科學院能源研究所自主開發了復合式低焦油生物質固定床氣化工藝及裝置,如圖1所示。該裝置利用內置熱解筒對爐內空間的物理分隔,將生物質氣化過程的干燥熱解、燃燒還原和氣體重整三個過程在同一個反應器內完成,三個過程相對獨立又有機耦合。生物質原料受外部高溫燃氣加熱,在熱解筒內發生干燥熱解反應,熱解后的固體產物與底部通入的氣化劑發生燃燒還原反應,熱解筒內產生的氣態產物與爐膛下部燃燒還原產生的氣態產物混合,與通入的二次氣化劑發生氣體重整反應,燃氣中的焦油組分在高溫環境下裂解轉化為小分子不凝性氣體,使出爐生物燃氣焦油含量在16 mg/Nm3以下。通過實驗對焦油的高溫裂解機理進行分析,結果表明,在1 000~1 200 ℃高溫環境下對焦油進行高溫裂解,可以將生物質燃氣中98%以上的焦油裂解為小分子不凝氣體。經過1 000 ℃以上的高溫裂解,熱解氣中的氫含量從36%提高到43%,其他成分都有不同程度的下降,其中CmHn的下降幅度比較明顯,從4.39%下降到1.53%,下降了69.0%。
由此可見,在使用高溫裂解脫除技術脫除焦油時,需要創造溫度大于1 000 ℃的穩定高溫環境才能實現焦油的完全轉化。但高溫環境不僅要求氣化設備的制造材料具有耐高溫的特性,而且設備本身要具有良好的保溫措施。
等離子氣化技術是利用等離子體制造出高溫環境,使固態及液態物質轉化為氣體的一種技術,近年來,該技術在固體廢棄物及危險廢棄物減量化處置領域受到了廣泛關注。等離子氣化技術也可應用于生物質焦油的裂解脫除,為彌補其他裂解技術的不足、提高生物質氣化效率以及增強生物質燃氣潔凈度提供了一種新的方法[36]。等離子脫除焦油技術主要包含以有幾個過程:(1)焦油分子在高能電子作用下產生強氧化性自由基O、OH、HO2;(2)有機物分子受高能電子碰撞,分子鏈及原子鍵發生斷裂并形成小碎片基團和原子;(3)氧化性自由基O、OH、HO2與斷裂的有機物分子、小碎片基團、原子以及其他自由基等發生反應,有機物分子最終被氧化并降解成為CO、H2、CH4、CO2、H2O等小分子氣體。等離子技術按照電子形成溫度的高低不同,分為高溫等離子技術和低溫等離子技術[37]。高溫等離子技術操作溫度均在10 000 ℃以上,對設備材料要求較高且能耗巨大,因此暫無在焦油脫除領域的研究與應用;低溫等離子技術由于其反應活性強、溫度適中、能量密度大等技術優勢,目前在焦油脫除領域的研究與應用較多,按照氣體溫度的高低及熱力狀態的差別,又可分為冷等離子脫除技術和熱等離子脫除技術。
2.3.1 冷等離子脫除技術
冷等離子脫除技術根據放電方式的不同可以分為滑動弧、微波、脈沖電暈放電、介質阻擋放電、輝光放電等離子脫除等。目前利用冷等離子體脫除焦油的研究主要采用裂解苯、甲苯、苯酚、萘等焦油的模型化合物的方法。
2.3.1.1 滑動弧等離子脫除技術
顏欣等[38]選取萘作為垃圾氣化焦油模擬組分,采用磁場驅動旋轉滑動弧等離子體,在氮氣氣氛下開展了焦油裂解實驗研究,結果表明,當進氣流量恒定時,隨著進樣濃度的提高,萘的降解率先升后降,提高預熱溫度可促進萘的降解,裂解產生的主要氣體產物為H2和C2H2,液體副產物主要有苯乙炔、茚、苊烯等。Nunnally等[39]利用滑動弧等離子技術對焦油的模型化合物(甲苯和萘的混合物)進行了裂解實驗研究,結果表明在低焦油濃度下,甲苯和萘的轉化率可達90%,在焦油濃度較高的情況下,甲苯及萘的轉化率為70%。
2.3.1.2 其他冷等離子體裂解脫除技術
Eliott等[40]采用微波冷等離子技術,以氮氣和氬氣為載體裂解脫除松樹枝在熱解過程中產生的焦油,實驗結果表明,注入的焦油均在等離子體反應器中被裂解,微波等離子體系統能夠有效地裂解焦油,并產生H2、CO、O2等氣體及生物質固定碳。
Nair等[41]采用脈沖電暈等離子技術裂解生物質焦油,實驗結果表明,萘在純氮氣中裂解比在燃料氣中裂解需要更少的能量。采用脈沖電暈等離子技術進行焦油的裂解脫除有可能實現焦油的完全裂解,但從經濟性角度來看,能耗較高,經濟性差。
Zhu等[42]研究了光催化劑與臭氧效應對冷等離子體處理苯的降解,結果表明,臭氧有助于苯的脫除,當苯濃度為600 mg/m3時,苯的去除效率接近99%;使用光催化劑填充的等離子體反應器比沒有光催化劑的具有更好的二氧化碳選擇性。
相對于物理脫除技術和熱化學脫除技術,冷等離子體裂解脫除技術對生物質燃氣中焦油的脫除更為有效,但也存在電極壽命短及材料更換費用高昂等缺點,另外由于冷等離子脫除技術在工程應用中難以實現大型化,也阻礙了其在大規模生物質氣化工程中的進一步發展。
2.3.2 熱等離子脫除技術
熱等離子脫除技術具有反應溫度高、反應速度快、能流密度大的特點,能夠較好地解決傳統的焦油脫除技術存在的一些不足。目前使用熱等離子脫除技術裂解生物質焦油的研究工作尚處于起步階段,集中于國外的幾所大學[43],如英國倫敦大學和法國波城大學等。
Fourcault等[44]將甲苯和萘的混合物作為焦油的模型化合物,將空氣作為等離子氣體,對非轉移弧熱等離子技術處理焦油的過程進行了模擬研究,結果表明,在反應溫度為800 ℃、氣體流量為6 500 m3/h的工況下時,甲苯和萘的轉化率可分別達99.9%及96.7%,滿足了內燃發電機對氣體中焦油含量的要求。
Marias[45]利用熱等離子脫除技術對使用木材作為氣化原料的流化床產生的生物燃氣中的焦油進行裂解脫除研究,結果表明,經熱等離子體處理后,生物燃氣中H2的體積分數由7.8%增至7.95%,CO的體積分數由8.80%增至9.57%,燃氣熱值也有相應的增加。
等離子脫除技術由于其對焦油的脫除效果較明顯,日益受到行業內的重視,但其存在脫除過程能耗較高、電極使用壽命短、材料價格昂貴等缺點,因此研究開發耐用性高、價格低的電極材料成為今后發展的方向。
目前,對生物質氣化過程中焦油脫除的工藝技術應用最多的是采用旋風除塵除焦、干式過濾及水洗噴淋的方法,將生物燃氣中的焦油捕集下來。捕集下來的焦油凝結物由于數量不成規模,無法集中利用,大多采用就地填埋的方式處理,而洗滌生物燃氣的大量含焦污水采用任意排放的方式處理,水中含有氮氧化物和一定量的有機化合物,不僅造成了水資源的浪費,還帶來了地下水及土壤的環境污染問題。
對于捕集到的焦油固體凝結物,可采用回爐二次利用的方式,將其重新送回氣化裝置參與反應,在高溫環境下產生裂解,成為小分子氣體;對于除焦污水,可按照工業污水處理規范要求,對其進行無害化處理后達到環保排放標準,并盡可能實現循環利用,減少浪費,提高水資源利用率。
催化劑是催化裂解脫除技術的核心,雖然市場出現了種類繁多的催化劑,在各自的相關研究中也相繼取得了不同程度的進展,但仍然存在著諸多問題,如催化劑生產成本較高、易產生積炭導致其活性降低甚至失去活性、抗燒結性能較差等,距離大規模工業化應用相差較遠。
這些問題成為催化裂解脫除技術發展需要克服的難點。開發具有高穩定性、高活性及高選擇性的催化劑成為未來的發展方向。最近幾年,有研究人員將多種催化劑的優點進行了集成,通過合理搭配制造出復合型催化劑,在抗積炭、抗失活、抗燒結等方面表現出較大優勢,為解決催化劑存在的問題提供了參考。
生物質氣化過程中焦油脫除技術的大規模工業應用最應關注的是技術路線的經濟性,即使再完備的工藝路線,如果沒有經濟效益可言,也不能應用于生產實踐。在工業生產中,使用催化裂解脫除技術需要按質量比加入一定量的催化劑,使用高溫裂解脫除技術需要消耗其他能源來創造穩定的高溫裂解空間,使用等離子脫除技術需要耗費大量的電能,電極易損壞,材料更換頻繁,技術成熟度有待于進一步提高,這都存在著技術經濟性低的問題。
解決技術經濟性問題的辦法有多種,對于催化裂解脫除技術,應在研究新型復合催化劑的基礎上,尋找價格低廉、易獲得的材料,盡量降低催化劑加工成本;對于高溫裂解脫除技術,參考山東省科學院能源研究所的做法,不需要增加外部能源消耗,在生產過程中消耗生物燃氣自身部分能量在氣化裝置內部形成穩定高溫區域,通過合理配比獲得焦油含量極低的生物燃氣;對于等離子脫除技術,尋找價格合理且使用壽命長的電極材料是將來能夠市場化應用的發展方向。
生物質氣化過程中產生的焦油阻礙了生物質氣化技術的快速發展,限制了其大規模市場應用,尋找出高效、清潔、操作簡便、成本經濟的脫除方法是當前解決問題的關鍵。國內外研究人員在物理脫除技術、熱化學脫除技術及等離子脫除技術領域開展了大量研究工作,各種焦油脫除技術存在著效率、成本、適用性和成熟度方面的差異,在選用焦油脫除技術工藝時要按照先進性與適用性相結合的原則,具體情況具體分析。目前生物質氣化過程中焦油脫除技術需要解決的主要難題是二次污染、高效催化劑制備、技術經濟性等,高溫裂解脫除焦油和開發低成本復合型催化劑是解決這些難題的有效方法,并將成為未來技術發展的方向。
生物質焦油脫除作為生物質氣化技術工業化應用中的關鍵環節,其技術經濟性的高低直接決定了能否真正成為生物質能清潔高效利用的關鍵技術,能否大規模應用于燃氣供應、供熱及發電、合成液體燃料等領域。因此,生物質焦油脫除技術的重要性日益凸顯,將對生物質氣化技術的完善與革新起到決定性作用。