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我國生物質氣化技術概況與發展

[2019-04-23]



摘要:介紹了我國生物質氣化技術的發展現狀以及生物質氣化供氣、發電的基本工藝流程。同時,在簡述生物質氣化的概念及其轉化方式基礎上,著重論述了生物質氣化技術在國內的研究及應用現狀,并對生物質氣化技術所需要的關鍵技術裝備及原理等以圖示出。  

0引言  

能源是人類賴以生存的物質基礎,是國民經濟的基本支撐。我國是能源消費大國,當前能源供應主要依靠煤炭、石油和天然氣等化石能源,而化石能源資源的有限性及其開發利用過程對環境生態造成的巨大壓力,嚴重制約著經濟社會的可持續發展。同時,我國又是一個農業大國,每年有大量的農作物秸稈、畜禽糞便、農產品加工副產品和能源作物等植物生物質產生。而生物質氣化技術正是以植物生物質為原料,采用熱解法及熱化學氧化法在缺氧條件下加熱,使其發生復雜的熱化學反應的能量轉化過程,在反應條件下按照化學鍵的成鍵原理,變成一氧化碳、甲烷、氫氣等可燃性氣體的分子。最終利用這些氣體進行集中供氣、發電,從而可在某些情況下替代現有的煤電以及天然氣。其不僅減輕了因焚燒秸稈而對環境造成的污染,而且提高了秸稈的利用效果,并為能源的可持續發展提出了有效途徑。  

農業生物質能不僅具有可永續利用,具有環境友好和可再生雙重屬性,而且發展農業生物質能產業,突破傳統農業的局限,利用農產品及其廢棄物生產新型能源,拓展了農產品的原料用途和加工途徑,提升產品的附加值和市場競爭力,有利于轉變農業增長方式,發展循環經濟,延伸農業產業鏈條,提高農業效益,拓展農村剩余勞動力轉移空間,在促進區域經濟發展、增加農民收入等方面大有可為。因此,生物質氣化技術已成為我國能源及農業研發領域的一個熱點內容。  

1生物質氣化原理  

生物質氣化技術是一種熱化學處理技術,通過氣化爐將固態生物質轉換為使用方便而且清潔的可燃氣體,用作燃料或生產動力。其基本原理是將生物質原料加熱,生物質原料進入氣化爐后被干燥,伴隨著溫度的升高,析出揮發物,并在高溫下裂解(熱解);熱解后的氣體和炭在氣化爐的氧化區與供入的氣化介質(空氣、氧氣、水蒸氣等)發生氧化反應并燃燒;燃燒放出的熱量用于維持干燥、熱解和還原反應,最終生成了含有一定量CO,H2,CH4,CnHm的混合氣體,去除焦油、雜質后即可燃用或者發電[1]。生物質氣化原理如圖1所示。  

2我國生物質氣化技術概況  

我國生物質氣化技術研究始于20世紀80年代初期,至今已開展了生物質能轉換技術以及裝置的研究和開發,形成了生物質氣化集中供氣、燃氣鍋爐供熱、內燃機發電等技術,把農林廢棄物、工業廢棄物等生物質能轉換為高效能的煤氣、電能或蒸汽,提高生物質能源的利用效率,實現以生物質替代氣、油和煤的新型能源[2]。生物質氣化集中供氣即將生物質氣化爐產生的氣體通過凈化除焦、除塵后通過用戶管網送至用戶以實現供暖、供熱、供電。生物質氣化集中供氣系統工藝流程如圖2所示。  

我國通過消化吸收國外先進技術與自主創新并舉,目前已研制出集中供氣和戶用氣化設備,形成了多個系列氣化爐產品,已進入實用化試驗及示范階段,可滿足多種物料的氣化要求,在生產、生活用能和發電、干燥、供暖等領域得到了一定利用。國內中科院廣州能源所、山東能源研究所、大連市環境科學設計研究院及中國農業機械化科學研究院作為國內的生物質氣化早期研究機構,相繼研發了以下產品:中科院廣州能源所對上吸式生物質氣化爐的氣化原理、物料反應性能進行了大量試驗,研制出GSQ型氣化爐;山東能源研究所研制的XFL系列秸稈氣化爐在農村集中供氣中得到了一定的應用;大連市環境科學設計研究院研制Lz系列生物質餾熱解氣化裝置建成了可供1000戶農民生活用燃氣的生物質熱解加工廠;中國農業機械化科學研究院研制的ND系列生物質氣化爐,其中ND-600型氣化爐已在生產中得到了一定應用,并取得了一定的效益;云南省研制的QL-50和QL-60型戶用生物質氣化爐已通過技術鑒定并在農村進行試驗示范。  

在我國生物質氣化技術不僅在集中供氣方面有應用,科研單位又將生物質氣化技術進行衍生,利用生物質氣化技術發電,并且取得了良好的經濟效益和社會效益[3]。生物質氣化發電技術的基本原理,是把生物質轉化為可燃氣,再利用可燃氣推動燃氣發電設備進行發電。氣化發電過程主要包括3個方面:一是生物質氣化,在氣化爐中把固體生物質轉化為氣體燃料;二是氣體凈化,氣化出來的燃氣都含有一定的雜質,包括灰分、焦炭和焦油等,需經過凈化系統把雜質除去,以保證燃氣發電設備的正常運行;三是燃氣發電,利用燃氣輪機或燃氣內燃機進行發電,有的工藝為了提高發電效率,發電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機[4],典型的系統如圖3所示。  

生物質燃燒發電是將生物質與過量的空氣在鍋爐中燃燒,產生的熱煙氣和鍋爐的熱交換部件換熱,產生的高溫高壓蒸汽在燃氣輪機中膨脹做功發出電能。生物質燃燒發電的技術已基本成熟,已進入推廣應用階段,這種技術在大規模下效率較高,單位投資也較合理,但它要求生物質集中,數量巨大[5]。  

我國有著良好的生物質氣化發電基礎,在20世紀60年代就開發了60kW的谷殼氣化發電系統,目前160~200kW的生物質氣化發電設備在我國已得到小規模應用,顯示出一定的經濟效益[6]。遼寧省能源研究所于2006年6月在意大利建成的流化床生物質氣化發電系統,采用木屑或稻殼為原料,發電量160kW;江蘇吳江縣生產的稻殼氣化爐,利用碾米廠下腳料驅動發電機組,功率可達160kW,已進入示范應用階段;MW級的中型BGPG系統也已在近些年研究開發出來,1998年10月中科院廣州能源所完成1MW級的生物質循環流化床氣化—內燃機發電系統(GIEC),5臺200kW發電機組并聯工作,由于受氣化效率與內燃機效率限制,效率低于18%,單位電量生物質消耗量一般大于112kg/(kW?h)。在此基礎上中國科學院廣州能源研究所還在海南三亞建成了國內首個生物質木屑氣化發電廠并于2000年下半年投入運行;中國林科院林產化學工業研究所以稻草、麥草等軟秸稈和稻殼等農業剩余物為原料,并建成生物質氣化發電裝置,已經投入運行,具有明顯的直接經濟收益。設備正常運行時,每年可處理約3萬t多秸稈、稻殼、木屑等生物質廢料,每年大大減少CO2的排放[7]。  

3生物質氣化技術的關鍵設備  

生物質氣化是通過氣化裝置的熱化學反應,可將低效能的固體生物質轉換成高效能的可燃氣,因此氣化爐自然是生物質氣化過程中的關鍵設備之一。我國使用的生物質熱解氣化技術,主要有固定床、流化床和直接干餾熱解3種工藝形式。固定床氣化爐工藝一般采用空氣為氣化劑,氣流方式有上吸式、下吸式或是平吸式,特點是設備結構簡單、易于操作、可以實現多種生物質原料的熱解氣化、投資少等。但是得到的生物質燃氣熱值低,通常在4200~7560kJ/m3之間,屬低熱值可燃氣,且生物質氣焦油含量高,容易造成管路堵塞。流化床氣化爐的工作特點:氣固接觸混合良好,停留時間都較短,床內壓力降較高,受熱均勻,加熱迅速,氣化反應速度快,可燃氣得率高,爐內溫度高而且恒定,可燃氣中焦油含量較小,但出爐的可燃氣中含有較多的灰分,可頻繁啟停,氣化強度大、綜合經濟性好,非常適合于大型的工業供氣系統,但結構復雜,設備投資較多,常見的氣化爐類型如圖4所示。直接干餾熱解的特點是生物質在隔絕空氣條件下進行熱分解,產物為固體炭、液體的木焦油和木醋液、可燃性氣體,生產過程須外加能源[8]。各氣化爐的工作原理及氣流走向如圖5所示。  

生物質氣化產出物除可燃氣外,還有灰分、水分及焦油等物質[9]。大部分灰分由爐柵落入灰室,可燃氣中的灰塵需經除塵裝置分離出,然后將可燃氣供給用戶或者發電機使用[10]。收集到的灰分進一步處理,可加工成耐熱保溫材料,或提取高純度的SiO2,也可用作肥料。因此,通過除塵裝置將可燃氣體中的灰塵分離出來,不僅可以提高可燃氣的質量,減少對設備的損傷以及管道的堵塞,并且還可以提高產品附加值。  

4制約生物質氣化技術快速發展的主要問題  

1)焦油問題。焦油問題是影響氣化氣使用的最大障礙,除了氣化供熱,氣體燃料直接用于燃燒以外,無論是用于發電或供氣,都有焦油問題。焦油會堵塞管路,污染氣缸,堵塞火花塞或燃氣孔,使發電與供氣無法正常運行,還會引起二次污染。因此,焦油問題是氣化發電技術的關鍵之一。解決焦油問題最徹底的方法就是把焦油裂解為永久性氣體。目前雖有焦油熱裂解與催化裂解的試驗,但距實用仍存在一段距離,因此目前要解決焦油問題還應加大力度研究焦油裂解的經濟實用方法[11]。  

2)二次污染問題。為了處理生物質氣化中產生的焦油和對氣體進行除塵,氣化裝置、凈化裝置需用大量的水作為除塵、除焦介質。除塵、除焦后的水含有焦油和灰分等有害物質,在排放前需進行無害化處理,并盡可能循環使用,使排放的廢水中有害物質高于環保要求,從而減少由于除焦、除灰帶來了二次污染。對于灰污染問題處理比較簡單,只要提高氣化效率,并對灰進行煅燒處理,即可滿足要求。對于廢水問題,就比較難處理,根本方法就是減少焦油的產生,因為其主要來源于水洗除焦油[12]。  

3)氣體熱值偏低問題。由于生物質氣化氣可燃成分少,熱值一般是天燃氣熱值的1/17~1/7,熱值偏低。為了滿足熱負荷的要求,就要消耗大量的氣體,這就使得貯氣柜體積增大,使貯氣柜的投資增加。  

4)提高氣化技術的經濟效益問題。目前已經建成運行的氣化站,多數將燃氣供給農民炊事之用,除極少數冬季運行的氣化站產出氣應用于采暖外,其它的應用形式很少,這樣就影響了氣化氣的運行效果,氣化機組閑置時間較長(一般只運行2~3h/d),售出氣量少,影響了氣化站的經濟效益,同時在一定程度上也影響了氣化站建設單位或個人的積極性。  

5生物質氣化技術展望  

顯著的技術優勢和良好的經濟性構成了生物質氣化技術裝備進入市場的基本動力[13]??梢灶A見,隨著農村整體經濟實力增強,對高效能的潔凈氣化能源的需求增大,生物質能必將與太陽能、風能、地熱、沼氣等一起被列為農村能源開發與利用的重點,而且其市場覆蓋面會越來越廣闊。同時,生物質氣化技術具有原料可再生及對環境友好的特點,因而受到關注程度越來越高,并在過去幾十年里取得了重要進展,尤其是近20年我國在生物質氣化發電研究方面已經取得了相當的成就,目前正是該技術步入商業化運用的關鍵階段。  

我國是一個農業大國,有著豐富的生物質資源,大力發展生物質氣化發電技術對于解決當前電力供應不足、增加農民收入以及減少環境污染等方面具有十分重要的意義,生物質氣化技術也為能源的可持續發展指明了道路。同時,發展生物質氣化技術最終可實現以科技創新推動農村環境保護,建立農業生物質綜合利用技術為主體的農村環??萍贾误w系,為加快社會主義新農村建設步伐,加快改善我國農民生產與生活環境的進程提供技術保障。

 

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