生物質制取合成氣研究

董美麗

[摘要]目前絕大多數合成氣制備工藝仍是采用煤氣化或天然氣氣化的方式。生物質是一種來源廣泛、成本低廉、環境友好的可再生能源，通過氣化、熱解等方法將生物質轉化為高品位、高附加值的化學品將成為目前研究的焦點。本文分別論述了利用氣化技術、熱解技術進行生物質制取合成氣的技術路線，并對二者進行了比較。

[關鍵詞]生物質 合成氣 氣化 熱解

合成氣是以H2和CO為主要組分供化學合成用的一種原料氣，它可以作為中間體用于石油化工行業或通過費托合成制備各種高品質液體燃料和化學品。

1氣化技術

生物質制備合成氣與煤、天然氣生產制備合成氣的原理基本相同，都是利用原料中碳氫化合物的分解、轉化來獲得合成氣。生物質氣化制備合成氣方式為直接將生物質在氣化爐中氣化，然后對產生的燃氣進行重整變換制成合成氣。采用生物質作為氣化原料制備合成氣，其工藝簡單、易于控制，成為了未來研究發展的趨勢。

1.1氣化介質

氣化介質是影響生物質氣化氣體產物成分最主要的因素，按照氣化介質種類的不同，生物質氣化工藝大致可分為三種類型：空氣氣化、氧氣/富氧氣化和水蒸汽氣化。生物質空氣氣化和氧氣/富氧氣化均屬于自熱式氣化工藝，是利用生物質中的可燃組分與氧化性介質（氧氣）發生部分氧化，從而為氣化過程中其它吸熱反應提供所需的熱量。生物質水蒸汽氣化是指生物質在高溫條件下與水蒸汽發生一系列氣化反應的過程，其中包括水煤氣反應、水煤氣轉化反應以及甲烷重整反應等。由于主要的氣化反應大都為吸熱反應，因此，水蒸汽氣化工藝需要提供外部熱源以維持反應的進行，即所謂的外熱式氣化工藝。

1.2技術路線

目前，生物質制取合成氣的技術路線主要有兩種：一步法合成氣制備工藝和兩步法合成氣制備工藝。一步法就是將生物質直接高溫水蒸汽氣化，雖然直接氣化得到的氣體組分主要是CO、H2和CO2，但由于生物質中氧含量較高，故而產品氣中H2含量偏低，而CO2含量偏高，難以滿足下游合成工藝的需要。兩步法氣化工藝就是生物質首先經過水蒸汽氣化盡量調節產品氣的組成，再通過焦油裂解和催化重整進一步轉化為合成氣。

1.3化學鏈氣化

化學鏈氣化制氫利用氧載體中的氧與燃料反應，通過控制載氧體與燃料的比值，得到以CO和H2為主要組分的合成氣，而避免燃料被完全氧化生成CO2和H2O。該技術使得生物質能夠在載氧體的作用下發生部分氧化反應生成合成氣，可以顯著降低合成氣生產成本;另外，氧載體的性能對化學鏈過程也是非常重要的，Fe基氧載體以其廉價和無二次污染的優勢得到了較廣泛的應用。

生物質與載氧體在燃料反應器內發生部分氧化生成合成氣，載氧體被還原成為低價態的氧化物或金屬單質，然后被還原后的金屬氧化物在空氣反應器內被空氣重新氧化，循環利用，兩個反應器之間通過載氧體顆粒進行熱量傳遞。

2熱解技術

2.1生物油空氣氣化

荷蘭生物質技術研究中心以空氣為氣化介質，在常壓下對木質生物油進行了氣化試驗。試驗采用氣流床氣化爐反應裝置，流程如圖1所示。整套裝置主要包括液體和氣體進料系統，用于生物油氣化的高溫加熱系統和冷卻系統。進料系統既可以注入生物油也可以注入酒精，注入酒精的目的是為了清洗管路和生物油注入系統，以便啟動設備。氣化介質（空氣、空氣和氧氣的混合物）通過專用進口引入，用以霧化酒精或生物油以及調節當量系數。分別在出口管的不同部位采集氣體樣品并進行氣相色譜分析。

2.2無外部供氧條件下的生物油氣化

荷蘭BTG利用木屑熱解液化得到的生物油，進行了無外部供氧生物油氣化試驗（圖2）。試驗裝置主要包括進料、熱解、冷卻、凈化和計量5個部分。進料部分為1臺柱塞泵，泵的出口是一針形霧化器，孔徑0.3mm，既能滿足生物油的霧化要求，又不致被生物油中的固體顆粒堵塞;熱解氣化反應器采用外加熱無縫耐熱不銹鋼管，熱解溫度控制在1000±10℃，熱解管內壓力為3000Pa。生物油熱解氣主要成分為氫氣、一氧化碳、甲烷和二氧化碳，既可用作居民生活燃氣，也可作為工業原料用于生產合成氣。

2.3生物油CO2/H2/水蒸氣氣化

加拿大Saskatoon大學利用管式固定床微型反應裝置，進行了生物油氣化制備合成氣和民用燃氣的研究。該裝置包括管式連續下流式固定床微型反應器、控溫裝置、加料用定量泵、液體及氣體產物收集系統。生物油通過特殊設計的噴嘴噴入反應器，反應溫度控制在800℃。氣化介質分別為N2和CO2，N2和H2的混合氣體以及水蒸氣。

3結論

生物質氣化是相對成熟的生物質制取燃氣技術，已經得到廣泛應用，容易實現大規模生產。以水蒸氣作為氣化介質、提高氣化反應溫度和壓力的氣化技術正在趨于成熟，既可提高合成氣的H：和CO含量，又可減少焦油含量，還能提高氣化強度，從反應壓力、燃氣組分及潔凈程度等多方面都非常適合后續合成工藝的要求，將會成為今后的重要發展方向。

生物質熱解油氣化制備合成氣技術是切實可行的，有著廣闊的應用前景，與生物質直接氣化制備合成氣工藝相比，生物油氣化制備合成氣除了具有規模效益外，還較易實現加壓氣化。生物油氣化所得氣體比直接氣化所得氣體純凈，具有后續重整、變換技術難度小等優點。但生物油氣化制備合成氣技術也有一些關鍵問題需要解決。生物質熱解液化技術不成熟，目前仍處于實驗室研究階段，與大規模商業應用還有距離，所得合成氣成本較高。我國目前在這方面的研究還處在起步階段，需要加大此方面的研究力度，縮小與歐美發達國家間的差距。