生物质气化技术的研究现状

吕仲明，徐盛林

（武昌首义学院，武汉 430064）

前言

我国是能源消费大国，随着能源需求的迅速增长，化石原料的日趋枯竭，大量使用化石燃料对资源造成了很大浪费，并对环境和生态造成污染，产生了严重的影响。因而，迫切需求开发清洁的可再生能源，而可再生能源之一的生物质能源就是能够储存和可运输的清洁能源，其具有资源分布广、储存量大的优势，故开发潜力巨大。

生物质气化技术是一种热化学处理技术，是将固体生物质放入气化炉中进行加热从而转换可燃性气体，以此用作燃料。其基本原理是将固体生物质原料进行不完全燃烧，在转换过程中需要加入氧气或水蒸汽等气化剂，使其发生氧化反应并燃烧。由于固体生物质原料具有特殊物理性质，在进入气化炉进行气化前需对固体生物质原料进行破碎和增添介质等预处理。通过预处理的原料在气化炉中进行燃烧，其产生的热量用于维持热解和还原反应，最终得到可燃性混合气体，对该气体过滤除去焦油及杂质后，即可用于燃烧供暖或发电[1、2]。生物质气化原理如图1。

图1 生物质气化原理

1 国内外生物质气化技术概况

目前，生物质气化技术具有较大的环境优势和应用前景，很多国家都开展了相应的技术研究和开发，例如印度的绿色能源工程、美国的能源工厂和巴西的酒精能源计划等。

1.1 国外生物质气化技术的研究现状

在美国，生物质气化技术已具有很大的规模，生物质转化的清洁能源已达到全国能源消耗的4%。在美国纽约，斯塔藤垃圾处理站采用湿法处理垃圾，日产可燃烧气体26万立方米，利用气化产生的可燃烧气体发电，同时生产肥料从而避免环境污染[3]。

2006年10月，荷兰政府每年提供1200万研发经费用于开发新型生物质燃料。同时荷兰政府投资建设了85MW的循环流化床生物质气化厂，生物质原料采用废弃的朽木，产生的可燃气体在600MW粉煤锅炉内和煤炭一起燃烧[4]。意大利拉奎拉大学的Pier Ugo Foscol等[5]在2006年设计出一套隔板内循环流化床生物质气化装置并以此为实验台进行了冷态调试实验，实验结果表明，调节挡板所处的位置和气流速度能够控制固体循环率。并且当床料量超出挡板上沿时，床料颗粒可以进行循环。Sascha R.A.Kersten等[6]设计了一种新型的多级循环流化床生物质气化反应系统，该反应系统由多个工作状况接近的流化床串联而成。通过这种串联结构设计能够有效防止物料反混，同时创造出一个位于底部的碳和空气燃烧区，进而提高了流化床的气化效率。Song等[7]设计了一套燃烧-气化互联流化床，燃烧流化床后加设旋风分离器，形成两个流化床外部连接，防止燃烧流化床与循环流化床直接相连，燃烧流化床为气化流化床提供热量，气化流化床将焦油送至燃烧流化床，有利于焦油分解，提高燃烧品质。

日本在生物质利用技术方面所获得的专利已占世界生物质发明专利的一半，其中生物质气化能源利用方面的领域占了81%。生物质发电在日本已悄然兴起，2004年4月，东京兴建了目前日本国内最大的生鲜垃圾发电厂。

同时，发展中国家也陆续展开相关研究，孟加拉国建成的下吸收气化装置已投入运行，马来西亚逐渐使用固定床气化设备进行发电。

1.2 我国生物质气化技术的研究现状

我国生物质气化技术的研究开始于20世纪80年代初期，在近30年取得了较大的进步，其中自行研制的用户气化炉及气化发电装置等已进入实用示范阶段，形成了不同系列的气化炉种类，从而满足不同种类物料的气化要求[8]。生物质气化是指将固体生物质原料用粉碎机粉碎处理从而达到气化炉的使用要求并由输料装置送入气化炉中进行不完全燃烧。物料在气化炉内进行气化反应，产生的燃气通过降温、净化系统除去灰尘、焦油后由输送设备经水封送入贮气柜中。贮气柜中的燃气可以经管网送至用户[9]。生物质气化集中供气系统工艺流程如图2所示。

图2 生物质气化集中供气系统工艺流程

在我国，科研单位利用生物质气化技术不仅在集中供气方面有着较广泛的应用，更是将生物质气化技术进行发电并取得了较大的经济效益和社会效益。生物质气化技术发电的原理是将生物质转化为可燃气从而利用可燃气推动燃气发电设备进行发电[10、11]。气化发电过程主要有3个方面：1）在气化炉中把固体生物质转化为气体燃料；2）将产生的气体燃料进行净化从而保证燃气发电设备的正常运行；3）利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电，提高了发电效率。其中广州能源所将木质废弃物作为原料开发循环流化床气化技术，该气化发电技术的有效开发可以完成4MW的发电能力。

生物质气化合成液体燃料通过热化学方法将生物质气化产生高质量的合成气，进而采用催化合成技术合成液体燃料，是一种间接液化技术。其中在合成液体燃料方面，广州能源所已研制成功合成柴油中试装置和气化合成DME的中试装置，标志着我国在合成燃料关键技术方面取得了较大的进展，推进了生物质气化合成技术的开发和应用，为我国生物燃气科技工程的实施提供了基础。

在家用、集中供热和供气方面，中国农业机械化研究院研制的ND系列和锥形流化床、江苏金江生物能源科技有限公司研制的固体有机废弃物规模化分区式气化炉都取得了较大的环保和经济效益。

2 气化炉的研究现状

气化炉是生物质气化技术中的核心设备，其作用是将炉内的固体生物质原料进行气化得到可燃性气体。生物质气化炉大致分为固定床气化炉、流化床气化炉、气流床气化炉和等离子体气化炉四种类型[12、13]。

2.1 固定床气化炉

固定床气化炉内的物料相对于气流来说是处于相对静止的。物料在炉内的化学反应分为干燥、热解、燃烧和还原四个阶段。根据气化剂的流动方向，可将固定床气化炉分为上吸式、下吸式和分区式。目前最常用的为上吸式和下吸式两种固定床气化炉，其工作原理及气流走向如图3所示。

图3 两种固定床气化炉的原理及气流走向

固定床气化炉的优点是结构简单、运行可靠、操作较易，对原料的种类及粉碎度要求不高。缺点是相比其他类型的炉子产气量较小，多用于小型气化站，不适合较大的生产规模。

2.2 流化床气化炉

流化床气化炉是将颗粒状的物料和气化剂充分接触发生气化反应[14]。按气化炉的结构和气化过程，将流化床气化炉分为单流化床气化炉和循环流化床气化炉。气化炉的工作原理及气流走向如图4所示。

图4 流化床气化炉的原理及气流走势

流化床气化炉具有温度分布均匀、传热面积大、气化效率高、能够连续运转的特点，但要求使用的原料颗粒细小，适合大规模生产。

2.3 气流床气化炉

气流床气化炉是将已被粉碎的原料和气化剂同时进入气化炉内，特点是产生的大部分焦油可在气化过程中裂化，从而使产生的可燃性气体中不含焦油，而附着在气化炉壁上的灰质可作为熔渣，从而方便清理。

2.4 等离子体气化炉

等离子体气化炉是指当原料与由电生成的等离子体接触后，原料中的有机物转化为高质量的可燃性合成气体，而原料中的无机物变成玻璃化的惰性熔渣。优点是气化效率高，能够得到不含焦油的可燃性气体。

3 我国生物质气化技术存在的问题及发展趋势

3.1 存在的问题

生物质气化技术的主要问题是焦油问题，也是气化发电技术的关键部分，气化过程产生的焦油过多，导致用于发电或供气会造成一系列技术问题。气化过程产生的气体焦油遇冷会形成液态焦油，造成管道堵塞及污染气缸；火花塞或燃气孔堵塞，会导致发电和供气设备无法正常运行。解决焦油问题最彻底的方法就是将焦油裂解为永久性气体，因而研究焦油裂解的实用方法是当前急需解决的问题[15]。

二次污染问题是生物质气化技术的另一个问题。气化装置及净化装置需要用大量的水作为除尘、除焦介质，当含有焦油的水和带有灰尘的气体排出，就会造成二次污染。除去灰尘污染只需提高气化效率即可，但对于废水的处理问题目前还没有更好的方法，最根本的方法就是减少焦油的产生[16]。

生物质气化产生的气体热值偏低也是制约我国生物质气化技术发展的一个问题，因为生物质气化后的可燃气体成分少，热值较低，为了满足所需的正常热量，就要消耗大量的气体，这会造成贮气柜体积增大，从而使贮气柜的投资增加。

3.2 发展趋势[17]

（1）研究产气热值高、气化效率高的新型气化炉技术。

（2）研究新的焦油脱除技术降低合成气中的焦油含量。

（3）进一步研究流化床气化炉技术是我国今后生物质气化研究的主要方向。

（4）开发规模较大的气化炉，为以后大规模的生物质气化合成燃料提供设备支持。

（5）研发自动化和智能化程度高的气化炉，加强原料的预处理是气化炉在推广和应用过程中非常重要的组成部分。

（6）生物质原料种类不同，气化过程复杂多变，对热解过程的机理研究具有重要的应用价值。将来可以利用更加先进的分析仪器，对气化过程中得到的产物能够及时、准确地进行分析，获得产物与反应条件的规律性关系，将会对生物质气化技术的机理研究具有更加全面的认识。

（7）将生物质气化技术与气化炉结合起来，以生物质气化工艺为指导进行装置的开发，提高装置的气化效率，同时可以使生物质气化技术为实现以科技创新推动农村环境保护、建立农村生物质综合利用技术，加快社会主义新农村建设步伐，加快改善农民生产与生活环境的进程提供技术支持，提高国家的民生建设和经济建设。

4 结语

在当今世界资源整体形势下，我国已连续在四个国家五年计划中将生物质能利用技术与应用列为国家重点项目，展现出对生物质能源利用的重视度。优秀的科研成果和技术已经进入市场，中小规模的集中供气、供热和发电已进入实用阶段，使我国的生物质气化技术得到了快速的发展，但是总体仍然落后于欧美发达国家，所以，必须要时刻跟随时代发展的需求，解决生物质气化的关键技术，研制相关的配套设施，解决技术和市场之间的供需问题，从而推进我国生物质气化技术的发展。