生物质热解气化与煤气化过程的差异分析

代 玮

(武汉江汉化工设计有限公司，湖北 武汉 430223)

生物质作为一种可再生能源已经越来越受到关注，其通过气化过程将生物质转换成气体能源,是生物质能源利用的重要途径之一。在生物质气化领域处于领先地位的主要是瑞典、丹麦、奥地利、德国、美国和加拿大等西方发达国家，经过几十年的发展，其生物质气化技术取得了较大的成就。目前,生物质气化炉主要有固定床、流化床、气流床等类型，各种炉型在国外都有一些应用实例，规模大小不一。国内经过近30年的努力，也开发出了包括固定床、流化床、循环流化床等炉型的生物质气化炉，但与国外相比仍有不小差距。

气化反应是一个复杂的动力学反应过程，涉及到传热传质等过程，以及各反应关系的平衡，这些关系的变化都可能对气化过程产生影响。生物质气化虽和煤气化过程有一定相似之处，但由于生物质性质独特，导致气化过程与煤气化存在一定差异。在气化反应中,需考虑这些特质对气化过程的影响。

1 生物质和煤的主要性质比较

生物质是通过光合作用生成的有机化合物，其主要元素成分有碳、氢、氧、氮、硫，这和煤的组成相似。碳在燃料中有两种存在形式:一种是与氢、氧、硫等元素组成的高分子有机化合物，受热时以挥发物的形式析出；另一种是以单质形式存在的固定碳。固体生物质的含碳量一般在44%～58%之间，比煤的含碳量要低，例如褐煤含碳量在60%～75%，无烟煤的含碳量则达到了85%以上。生物质氧元素含量也很高，通常高于40%。氧和生物燃料中一部分碳或氢结合成化合物，使可燃元素减少，降低了发热量。一些生物质和煤炭的元素组成见表1。

表1 一些生物质和煤炭的元素组成(干基%)

生物质的工业分析包括水分、灰分、挥发分和固定碳。和煤炭相比，生物质的挥发分含量高，一般在70%以上，着火和燃烧容易。生物质中的固定碳是指除去水分、灰分和挥发分后的残留物，由于生物质挥发分含量高，固定碳含量相对也就比较低。部分生物质的工业分析结果见表2。

表2 部分生物质的工业分析结果

2 生物质热解气化过程

生物质是一种特殊的燃料，挥发分极高，占到燃料比重的70%～80%。生物质在200℃时就开始热解，在热解过程中大分子向简单分子化合物转化，温度越高转化得越彻底，因此要热解完全，需要尽量维持较高的热解温度。根据键能的大小，生物质在热解过程中依次生成H2O、CO2、CO、轻烃、CH4、焦油和液体、H2等，温度越高,气体产物越多，因为在高温下焦油发生二次裂解，最终生成不凝气体产物。因此，如果想获得较多的气体产物，减少焦油的产量，就要尽量维持较高的温度和一定的停留时间。在常规气化反应中，CO2是气化反应过程的产物之一，但生物质挥发分含量较高，通过高温热解即生成了大量CO2，合成气中相当一部分CO2来自于挥发分的热解，而非气化反应。

从气化角度来分析，为了促进生物质中C转化为CO，需要维持适宜的氧量，控制合理的气化区温度，减少反应过程中CO2的产生。对于生物质气化炉，热量来自于气化，理想情况下,希望通过气化反应将生物质热解出的残碳全部气化成CO，同时放出热量以保证生物质热解需要。在气化反应过程中，O2和C先生成络合物C3O4，再分解成CO和CO2，为了保证气化温度的需要，对氧气的进入量会进行控制，一般氧气量的增加会导致合成气中CO2含量增加，因此,在常规的气化反应中，往往通过CO2的含量来辅助分析炉温及工况。通常要求在满足工艺的前提下，尽可能限制CO2生成。但是,即便是对特定的炉型，当燃料性质发生改变时，也会导致各参数的变化，除非燃料完全一样，但这对于固体燃料来说几乎是不可能的。当燃料灰分含量增加时，燃料的发热量会降低，在气化过程就需要通过增加氧耗来产生更多的热量加热灰分；同样,当燃料水分含量增加时，消耗了气化过程中产生的热量，为了避免炉温降低，就要增加氧量，但同时水蒸气在高温下也会分解出氧，和C发生化学反应生成CO和H2，即降低了氧耗，这是一个相互影响的过程。

合成气中CO和H2含量还受炉内变换反应过程的影响。由于生物质干燥工艺和干燥成本的限制，预干燥后的生物质含水量仍偏高。在气化炉高温的条件下，生物质中的水变成水蒸气，水蒸气和碳、CO发生反应，产生CO、CO2和H2，尽管变换过程可以增加合成气中的氢气含量，但水蒸气的进入会降低炉温。

温度也是影响生物质热解气化反应的重要因素之一。温度越高，生物质热解越完全，且提高温度可以大大加快气化反应速率，但是温度太高对设备不利，因此,要在设备承受的范围内控制适宜的温度。

3 生物质气化和煤气化反应过程的差异

对于不同的气化装置、工艺流程、反应条件，气化反应过程不完全相同。但从宏观上来看，都分为燃料干燥、热解、氧化、还原4个阶段。生物质挥发分高、固定碳低、含氧量高的特性，影响了生物质气化过程。

在煤的气化过程中，一般可以通过气体成分来初步判断炉况，根据CO2、CH4在合成气中的组成趋势变化来调整氧化剂含量，控制炉温。相对于生物质来说，煤的性质稳定，挥发分含量低，气体成分的变化主要受气化反应过程的影响，如碳的氧化反应、碳和水蒸气的变换反应等，因此,当气化剂给入量稳定时，气体成分较稳定，波动幅度小。而生物质的挥发分高、活性好，只要在高温情况下，即使没有气化剂，也会热解生成大量的H2、CO、CO2、CH4等气体。在煤气化过程中，合成气的组成变化主要受气化反应进程的影响，气化剂的变化将直接影响化学反应的量，直接表现就是合成气产量和成分的变化。而在生物质气化过程中，合成气产量和成分的变化与生物质热解的关系更大，气化只是作为一种补充，促进了生物质能源向气体能源的转化，提高了转化效率。最终生物质中只有约15%的固定碳需要通过和氧的反应转换成CO或CO2。

在煤气化过程中，我们通过控制氧气配入量，让碳和氧气发生不完全氧化还原反应生成CO，当氧气过量时，就会生成CO2，因为CO2是后工序所不需要的产物，因此希望尽可能将CO2含量控制到最低，氧化剂的富余量一般只是为了满足气化工艺的需要。而在生物质气化过程中，由于生物质自身含有大量的氧元素，在热解中就会产生CO、CO2、H2等气体，即这些气体的产生已不是仅受气化反应过程的影响，更大程度上是取决于进入炉内的燃料热解量的多少，因此,在分析气体成分的变化和气化反应的相互影响关系时，不能忽视生物质热解在整个过程中的重要作用。热解过程对分析气体成分变化和气化反应的关系时产生了极大的干扰。

生物质气化和煤气化在过程原理上虽然有许多相通性，但不能简单套用煤气化理论来分析生物质气化的反应过程。通过开展生物质气化试验，从大量收集的试验数据中也可以观察到生物质气化和煤气化反应控制上的差异。因工况的调整导致的气体成分变化,不能简单认为是气化反应因素影响，而应该从热解和气化的角度分别加以综合分析。

4 结语

(1)生物质气化不同于煤气化，在生物质气化炉中，热解的影响不能忽视。合成气中许多有效气成分(如H2、CO、CO2)来自于热解，并非来自于气化过程。

(2)较高炉温对热解或气化反应都是有利的，不仅可以加快气化反应速率，也使生物质热解得更完全。与此同时，H2和残碳的产量增加，包括CH4等烃类物质的含量减少。但过高的温度需要将更多的生物质能转化为热能，且设备的运行条件变苛刻，因此,在选择炉温的最佳运行指标时,要兼顾效率、经济性等因素。

(3)在对生物质特性充分了解的基础上，参考煤气化的成熟技术和经验，可以逐步开发出适合生物质气化的气化炉，这对推动国内的生物质利用具有重要意义。