PDF《生物质气化技术面临的挑战及技术选择》

1 前言 生物质分布广泛、数 量巨大,是 重要的可再生能源,在世界能源安全和碳减排中都将起到至关重 要的作用.

相对于其他含碳能源,生物质存在能量 密度低、分布分散度高、收集运输困 难以及难 以大规模集中处理等不足. 由于完全照搬石油炼制、煤 化工和天然气利用的技 术思 路进行生物质能的利用和转化,造成现有大多数装置效率低、效益低,并 存在二次污染,相关企业规模小、效益差,甚至必须 依靠政策补贴才能生存. 如何高效合理利用和转化 生物质能,使其可与其他能源相竞争,成为国 内外生物质能研究者和生产者面临的挑战. 气化技术是生物质能高效利用的主要方式之一,但由于难以像煤、石油和天然气化工那样 容易实现大规模化,所以气化气只能用作能 源,不宜作为C1 化工的合成原料. 气化使低能量密度的生物 质从固态转化为可燃气体,相对直接燃烧具有燃烧 稳定、热效率高、污染低等优点,尤其是 PM2.5 指数 低. 按照气化转化率可分为部分气化和完全气化, 部分气化包括沼气发酵技术、 热化学热解技术、高 压液化(直接液化)技术;

完全气化包括热化学气化 技术,即通常所说的生物质气化. 以气化方式实现 低品位生物质能的深层次利用,减少矿物燃料消耗 量,对提高农村生活水平、改善生态环境、保障国家 能源安全等具有重要意义.

2 生物质完全气化技术面临的挑战 生物质热化学气化技术是以生物质为原料,以 氧气(空气、富氧性气体或纯氧等)、水蒸气或氢气等 为气化剂,在高温条件下通过热化学反应将生物质 转化为可燃气体的过程. 目前根据气化炉的不同, 主要有固定床气化技术和流化床气化技术. 气化技 术可将低品位的固体生物质完全转化为高品位的可燃气体,从而广泛应用于工农业生产的各个领域,如目前的集中供气、供热和发电,以及研究中的 生物质气化技术面临的挑战及技术选择 田原宇 1,2 ,乔英云

2 (1.中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室 ,山东 青岛 266580;

2.山东省高校低碳能源化工重点实验室(山东科技大学),山东 青岛 266590) 摘要生物质 气化 可实 现低品位生物质能的深层次利用,不 同地区、不 同行业有不同的能源需求和产业结构,应 合理选择生物质 气化 技术.固定床气化技术针对的是中小规模应用,该 技术存在的问题包括焦油含量高、规 模小、机 械化和自动 化程 度较 低、 发电 效率 低等 . 流化 床气化 技术 针对 的是 中等及 以上 规模 应用 , 目前 需要解决的问题是热效率低,发 电效率低,需 要开发高气化效率和无焦油的燃气型气化炉、低 热值燃气轮机、高 效燃气净化系统,以 便采用BIGCC技术. 沼 气技 术是 一项生 物质 综合 高效 清洁利 用的 多联 产工 艺 ,目前 急需 开发 高效 高浓度 厌氧 消化 的沼 气发 酵工艺和配套的集成设备,培 育和筛选高效沼气发酵微生物菌群,简 化沼气净化工序,解 决沼液、沼 渣的利用难题等. 生物质 快速 热解 技术是 一种 高温 处理 过程 ,其 最大 的优 点是 产物生 物油 易于 储存 运输 ,不 存在 产品 规模和消费的地 域限 制问题.从工艺特点、经 济效益和规模化生产来看,沼 气技术更适合处理高含水的养殖业粪便,快 速热解技术更 适合 农作物 秸秆 的规 模化 转化 ,燃 气型 气化 技术 更适合 社区 生活 垃圾 和农林 产品 加工 废弃 物的处 理.关键词 生物 质能 气 化技 术热效率 BIGCC 技术 沼气快速热 解农作物秸 秆 基金项 目:本文受 国家自 然科 学基 金项 目(编号 :21076117)、国家

863 课题(编号:2009AA05Z316 -

4、2012AA051801 -3) 和教育 部新 世纪 优秀人才资助项目(编号:NCET-11- 1031)的资助 . 作者简介:田 原宇,教 授 ,博 士生导师,2004 年获太原理工大学化学工程与技术专业博士学位,目 前主要从事石油、煤 、天然气和生物 质能 源化 工工 艺设备 一体 化方 面的 教学与 研发 工作 . Email:tianyy1008@126.com 中外能源SINO-GLOBAL ENERGY ・

27 ・ 第8期费托合成甲醇和乙醇等第二代生物燃料[1] . 2.1 固定床气化技术 固定床气化是目前世界上应用最广、成熟度最 高的生物质利用技术. 作为固定床气化的核心―― ― 气化炉,其优点是装置结构简单、坚固耐用、运行方 便可靠、操作和投资费用低;

缺点是 内部过程难以控制,易产生焦油和架桥,生产强度小. 固定床气化炉的结构主要有上吸式、下吸式和 横吸式等. 上吸式固定床气化炉主要有中科院广州 能源所的 GSQ 型气化炉、 中国农业机械化科学研 究院的 ND 型气化炉、江苏省粮食局的稻壳气化炉 等,另外华中科技大学、大连科技大学、印度马杜赖 卡马拉大学、奥地利维也纳工业大学也对此进行了 研究和实践. 下吸式固定床气化炉主要是山东能源 研究所的 XFL 系列秸秆气化炉, 华南理工大学、马 来西亚科技大学、印度贝拉理工和科学学院也对下 吸式固定床气化炉进行了研究和实践[2~14] . 目前固定床气化技术针对的是中小规模应用 , 急需解决的问题包括[1] : ① 焦油含量高. 上吸式固定床所产燃气中含 有大量的焦油, 对燃气净化系统造成巨大负担,去 除不净将造成管路、阀门堵塞,内燃机需频繁维护;

另外,燃气冷凝产生的废水含有大量难处理的酚类 物质,会造成二次污染. ② 规模小. 目前固定床单台产能一般都集中 在200~500kW,不易放大规模,规模效益不佳. ③ 机械化、自动化程度较低. 如某些固定床气 化炉容易架桥烧结,运行时需要耗费大量人力在炉 顶操作,威胁到操作人员安全. ④ 发电效率低. 气化发电所用的内燃机一般 都由低转速的柴油发电机改装而成,电转化效率只 有30%,固定床气化发电效率为 10%~15%. 尽管国内外大量研究者对如何处理生成的焦油进行了不少研究,但由于固定床气化技术焦油处 理难度大、成本高,且难以根治,加之不适应规模化 发展的要求而不具有竞争力. 2.2 流化床气化技术 流化床气化炉的优点是传热传质均匀,气化反 应速度快,碳转化率高,易放大设计;

缺点是可燃气 中灰分含量高,设备结构复杂,原料需粉碎细化. 流化床气化技术分为鼓泡流化床型、循环流化 床型和双床型等. 鼓泡流化床气化技术主要有华北 电力大学、河南科学院和浙江大学等进行了研究和 小试. 德国、瑞典、芬兰、澳大利亚、美国、加拿大等 国已将循环流化床气化技术工业化应用,另外上海 发电设备成套设计研究院、 中科院广州能源所、中 国科技大学、中国石油大学、山东科技大学、哈尔滨 工业大学、华南理工大学、伊朗科技大学、美国西弗 吉尼亚大学、埃及 米尼亚大学、意大利拉奎拉大学等也对该技术进行了研究和中试[15~20] . 笔者在循环 流化床气化的基础上,将流化床半焦气化和生物质 提升管临氢热解耦合,开发了生物质循环流化床分 级热解气化技术,裂解焦油,富产甲烷,提高了燃气 热值,从源头上消除了含酚废水的污染. 流化床气化技术针对的是中等及以上规模应用,急需解决的问题包括[1] : ① 气化气中仍存在焦油, 使气化发电及供气 系统无法长期稳定运行,还会引起二次废水污染. ② 高温粗燃气和发电机尾气的余热未加以利 用,热效率低,发电效率低,流化床气化发电效率只 有15%~25%,而气化-燃气轮机联合循环发电技术 (BIGCC)的发电效率也只能达到 35%. ③ 需要开发高气化效率和无焦油的燃气型气 化炉,提高燃气热值,便于采用 BIGCC 热电联供. ④ 采用 BIGCC 技术需要开发结构简单、 运行 成本低的低热值燃气轮机和高效燃气净化系统. ⑤ BIGCC 技术需要规模化开发应用, 解决气 化气成本问题. 生物质循环流化床气化,未完全反应的碳粒可 通过返料器返回气化炉进一步反应,以提高气化效 率,提高燃气热值,燃气热值可达到 5~8MJ/m3 (标准 状态). 有床料的循环流化床原料适应性强,可将较 长的秸秆打碎(一般 5cm 以下的秸秆都可以充分反 应),床料可使加入的生物质料迅速升温,减少气化 反应时间,生成更多可燃成分. 热燃气直接利用,可 以避免焦油冷凝对管道设备的污染,这将是下一步 生物质规模化完全气化技术的主要发展方向.

3 生物质部分气化技术面临的挑战 生物质部分气化是生物质隔绝空气,在生物酶 或高温高压条件下,通过生化反应或热化学反应将 部分生物质转化为燃气, 部分转化为燃油-半焦或 沼液-沼渣的过程, 是生物质能高效梯级利用的多 2013年第18 卷・28 ・ 中外能源SINO-GLOBAL ENERGY 联产工艺. 基于综合效益和发展趋势,本文以沼气 技术和快速热解液化技术为例进行分析. 3.1 沼气技术 人畜粪便、秸 秆 、污 水等各种有机物在密闭的沼气池内,在厌氧(没有氧气)条件下发酵,经微生物 分解转化产生沼气.沼气是一种混合气体,由50%~ 80%的甲烷、20%~40%的二氧化碳、0~5%的氮气、小于 1%的氢气、 小于 0.4%的 氧气和 0.1%~3%的 硫化氢等气体组成,除直接燃烧用 于炊事 、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等以外,还可用作内燃机 的燃料,沼气发电还可作为分布广泛且价廉的分布 式能源[4] . 经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣, 含有较丰富的营养物质,可用作肥料和饲料. 另外, 由于腐熟程度高使肥效更高,粪便等沼气原料经发 酵后,绝大部分寄生虫卵被杀死,可以改 善农村卫生条件,减少疾病的传染. 因此,沼气技术是适合三 农的一项生物质综合高效清洁利用的多联产工艺. 目前急需解决的问题包括: ① 急需开发高效高浓度厌氧消化的沼气发酵 工艺和配套的高效集成式设备,既要保持厌氧污泥 菌群有足够长的停留时间(污泥龄),又 要保证进入 池内的污水与厌氧污泥有充分的亲密接触,还要保 证池体介质温度在 20℃以上且不用耗能加温,而且 不能发生固体物堵塞问题,使单位设备容积产气量 (即产气率)在中温下提高到 10m3 沼气/(m3 ・d)以上, 滞留时间缩短到几天甚至几小时. ② 培育和筛选发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷 菌等各种微生物协同作用的高效沼气发酵微生物菌群,提 高生物质的利用率和沼气产量. ③ 提高机械化、自动化程度,降低发酵操作能 耗,简化操作工序. ④ 简化净化工序,提高甲烷纯度和清洁度. ⑤ 开发适合沼气特点的甲烷压缩、 发电和热 电冷多联供的小微型高效设备,扩大沼气的利用途 径,提高附加值. ⑥ 需要解决大中型沼气工程的沼液和沼渣利 用难题. 大中型沼气工程效率高,产 气量大,规 模集中便于管理、净化和高效利用,符合农村集约 化和城镇化发展的需求,是今后沼气技术发展的方向. 3.2 生物质快速热解技术 生物质快速热解是一种高温处理过程,生物质 在隔绝空气条件下快速加热,通过热化学方法将原 料直接裂解为粗油,反应速度快、处理量大. 生物油 为主要产品,干基产率在 70%左右,副产物为半焦、 灰 渣和气体,整个........