第3章气化技术

第3章生物质气化技术
生物质气化是以生物质为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等气化剂（或称为气化介质），在高温条件下通过热化学反应将生物质转化为可燃气的过程。

生物质气化产生的气体，其主要有效成分为CO、H2、CH4，称为生物质燃气。

气化和燃烧过程都需要空气或氧气，但燃烧过程需要供给充足的氧气，使燃料充分燃烧，燃烧后放出大量的热，反应产物是二氧化碳和水蒸气等不可再燃烧的烟气。

气化过程供给的氧气，使原料发生部分燃烧，从而提供制取可燃气反应所需的热力学条件，原料中的能量被尽可能地保留在反应后得到的可燃气体中。

由于生物质原料通常含有70%—90%的挥发分，受热后在相对较低的温度下就有相当量的挥发分物质析出，既可供生产、生活直接燃用，也可通过内燃机或燃气轮机发电，进行热电联产联供，从而实现生物质的高效清洁利用。

目前气化技术是生物质热化学转化技术中最具有实用性的一种，它也是一项古老的技术。

生物质气化的首次商业化应用可追溯到1833年，当时是以木炭作为原料，经过气化器产生可燃气，驱动内燃机应用于早期的汽车和农业灌溉机械。

在二战期间，气化技术达到鼎盛时期。

但是随着石油等化石燃料的大量开发利用，生物质气化技术进入低潮。

进入20世纪80年代以来，由于化石燃料价格增长，无节制地使用化石燃料使人类将面临化石资源枯竭的危险以及大量使用化石燃料对环境造成的严重污染等问题的出现，各国科学家和政府又重新重视生物质气化，从环境保护、生态环境和可持续发展的角度出发，投入了大量的研究开发经费和人力，开展生物质的气化新技术的研究及应用。

3.1 生物质气化技术的特点
据全国农林能源的调查统计表明，全国每年的生活用能和部分小型工业的生产用能，以直接燃用秸秆（约2.2亿吨）和薪材（约1.8亿吨）为主，其燃烧热效率仅为8%—12%。

而将生物质气化成气体燃料后再使用，其燃烧总热效率可比直接
燃烧生物质提高二倍以上，即热效率可提高到30%以上。

生物质气化对推动能源的可持续发展具有重要的现实意义，其特点如下：
（1）材料来源广泛，可以利用自然界大量的生物质能。

我国是一个农业大国，每年有6亿余吨农作物，除用农村炊事燃料、副业原料和饲料外，其余均成为废弃物。

另外，在我国的薪炭林总面积近540多万平方米，每年有相当于1亿吨标准煤的薪材。

（2）可进行规模化生产处理。

用气化技术可进行大规模的生物质处理，日处理可达几百乃至上千吨。

（3）这种方法通过改变生物质原料的形态来提高能量转化效率，获得高品位能源，能改变传统方式利用效率低的状况。

通常生化技术的能量转换效率至多为40%左右，而气化技术的能量转换效率可高达80%以上，同时还可进行工业性生产气体或液体燃料，直接供用户使用。

（4）生物质气化具有废物利用、减少污染、使用方便清洁等优点。

对于含水分少的有机物质，如木材以及纸屑和塑料为主的城市垃圾，都可采用气化技术将其变废为宝。

（5）可以实现生物质燃烧的碳循环，推动可持续发展。

3.2 生物质气化工艺
3.2.1 生物质气化过程
在典型的生物质气化过程中，通常包含了生物质的干燥、热解、氧化反应和还原反应，这四个过程在气化炉内对应形成四个区域，但每个区域之间并没有严格的界限。

干燥：指对生物质的除湿，大约被加热至200—300℃，原料中的水分首先蒸发；
热解：指生物质脱挥发分或热分解，在500—600℃时，解析出焦油、CO2、CO、CH4、H2等大量的气体，只剩残余的木炭；
3.2.2 生物质气化分类
生物质气化过程的分类有多种形式，可以从不同的角度对其进行分类。

根据燃气生产机理可分为：
（1）热解气化
（2）反应性气化
1）空气气化、水蒸气气化、氧气气化、氢气气化、气体混合物气化（根据气化介质不同分类）；
2）固定床气化、流化床气化（根据采用气化设备分类）；
在气化过程中使用不同的气化剂、采用不同的运行方法以及过程运行条件，可以得到三种具有不同热值的气化产品气：低热值燃气（低于8.4MJ/m3）；中热值燃气（16.7—33.5 MJ/m3）；高热值燃气（高于33.5 MJ/m3）
4种常用气化方法：
3.2.3 生物质气化工艺流程
在生物质气化过程中，原料在限量供应的空气或氧气及高温条件下，被转化成燃料气。

生物质气化工艺流程如下：
发电
蒸汽锅炉民用煤气
粗煤气净煤气合成燃料
原料干燥气化炉洗涤二次转
化合成氨
木
炭
合成甲醇
泥炭
各种有机肥
料
空气、蒸汽和氧气
3.2.4 生物质气化设备
目前，生物质气化设备主要有固定床、流化床两种。

固定床气化床炉简单、热效率较高，但处理量小，适合中、小规模的工业化生产。

1、固定床气化炉
固定床气化炉的特点是气化介质在通过物料层时，物料相对于气流处于静止状态。

2、流化床气化炉
流态化技术用于生物质气化始于1975年，与固定床气化炉相比，具有混合均匀，反应速度快、气固接触面积大，传热、传质系数高，反应温度均匀，单位面积
的反应强度大，操作易于控制，物料在反应器重停留的时间短，生产能力大及操作温度低等优点。

3、固定气化炉与流化床气化炉的比较
3.2.5 生物质气化影响因素
气化反应是复杂的热化学过程，受很多因素的影响，除前面介绍的气化设备、气化介质外，物料特性、反应温度、升温速率、反应压力和催化剂等也是影响气体成分及热值的重要因素。

1、原料
在气化过程中，生物质物料的水分、灰分、颗粒大小、料层结构等都对气化过程有着显著影响，原料反应性的好坏，是决定气化过程可燃气体产率与品质的重要因素。

2、温度
温度是影响气化性能的最主要的参数，温度对气体成分、热值及产率有着重要的影响。

温度对气体中焦油的含量也有显著的影响。

3、压力
从结构上看，在同样的生产能力时，压力提高，气化炉容积可以减少，后续工段的设备也可以减少尺寸，而且净化效果好。

4、升温速率
升温速率显著影响气化过程中的热解反应。

而且温度与升温速率是直接相关的。

不同的升温速率对应着不同的热解产物和产量。

按升温速率快慢可分为慢速热解、快速热解及闪速热解。

5、催化剂
催化剂也是气化过程中重要的影响因素，其性能直接影响着燃气组成与焦油含量。

催化剂既强化气化反应的进行，又促进产品气中焦油的裂解，生成更多小分子气体组成，提升产气率和热值。

3.2.6 生物质燃气的特性
生物质燃气是由若干可燃气体（CO、H2、CH4、CmHn及H2S等）、不可燃成分（CO2、N2和O2等）以及水蒸气组成的混合气体，与固体生物质相比，易于运输和储存，提高了燃料的品质。

燃气特性取决于原料性质、气化剂种类、气化炉形式及运行方式等因素，其热值在5—15MJ/m3之间。

3.2.7 生物质燃气的净化
从生物质气化炉中出来的可燃气，称为粗燃气。

粗燃气含有各种各样的杂质，可分为固体和液体两种，固体杂质包括灰分和细小的炭颗粒，液体杂质包括焦油和水分。

下面是燃气中各种杂质的特性：
生物质气化应用技术中一个很大的难题就是对可燃气中焦油的处理。

1、 焦油的特点
其成分非常复杂，可以分析出的成分有200多种，主要成分不少于20种，其中含量大于5%的有7种。

可燃气中焦油的含量随温度升高而减少。

2、 焦油的危害
（1） 焦油占可燃气能量的5%—10%，在低温下难以与可燃气体同时被燃烧利用，民用时大部分焦油被浪费掉。

焦油在低温下凝结成液体，容易和水、炭粒等结合在一起，堵塞输气管道，卡住阀门、抽风机转子，腐蚀金属。

（2） 焦油难以完全燃烧，并产生炭黑等颗粒，对燃气利用设备如内燃机、燃气轮机等损害相当严重。

（
3） 焦油及其燃烧后产生的气味对人体是有害的。

3、 除焦的方法
3.3 生物质气化制备化学品技术
3.3.1 生物质气化合成甲醇和二甲醚
3.3.2 生物质气化制氢
氢是一种理想的新能源，氢气燃烧热值高、而且燃烧的产物是水，由于不排放温室气体，因此，它也是一种清洁的新能源。

制氢的方法有很多，技术比较成熟且应用于工业大规模制氢的方法主要有化石能源制氢和电解水制氢。

3.4 生物质气化集中供气技术
生物质气化集中供气技术指以各种秸秆固体生物质为原料，通过气化的方式转化成生物质燃气，并通过管网输送到农村用不用于炊事燃料。

在农村推广生物质集中供气技术，除减少化石能源的使用、提高生物质利用效率外，其重要意义在于提高农民生活质量和生活品味、加速农村城镇化建设，并减少由于采用秸秆直接燃
烧做饭而造成的农村大气环境的污染。

集中供气系统的基本模式为：以自然村为单元建设供气系统，系统规模为数十户至数百户。

3.4.1 集中供气工程及工艺流程
生物质气化集中供气工程四部分组成：
1、燃气发生炉机组
（1）原料粉碎送料部分
（2）原料气化部分
（3）燃气净化系统
（4）气水分离部分
（5）水封器部分
2、储气柜
3、管网
4、用户燃气设备
生物质气化机组
3.4.2 集中供气技术应用前景
在我国农村推广应用秸秆类生物质气化集中供气技术，其社会、经济、生态效益显著，对改变能源结构、资源的高效利用、不可再生能源资源的持续利用、农村经济的可持续发展和农村城镇化建设等，均具有重要的促进作用和现实意义。

但目前生物质集中供气技术还存在一些问题，如燃气中焦油和灰尘含量偏高，焦油和灰尘含量大部分在20mg/m3左右，不符合国家民用燃气低于或等于10mg/m3的标准，燃气中的焦油含量是目前该气化系统面临的突出问题；另外，燃气热值普遍较低，空气氧化气化法生产的燃气地位热值虽能达到5522kJ/m3，但还远低于国家标准，而且由于工艺特点和生物质原料氧含量高，使燃气中CO和O2含量偏高，存在安全隐患。

3.5 生物质气化发电技术
生物质气化发电技术是将生物质转化成可燃气，再将净化后的气体燃料直接送入锅炉、内燃发电机、燃气机的燃烧室中发电。

生物质气化发电相对燃烧发电时更洁净的利用方式，它几乎不排放任何有害气体，小规模的生物质气化发电已进入商业示范阶段，它比较合适生物质的分散利用，投资较少，发电成本也低，比较合适于发展中国家的应用。

3.5.1 生物质气化发电技术分类
根据燃气发电过程的不同，生物质气化发电可分为：内燃机化发电系统、燃气轮机发电系统及燃气-蒸汽联合循环发电系统。

3.5.2 生物质整体气化联合循环（B-IGCC）
生物质整体气化联合循环发电系统主要包括生物质原料的处理系统、加料系统、流化床气化炉、燃气净化系统、燃气轮机、余热锅炉等部分。

瑞典是首家建立以生物质为原料的整体气化联合循环发电厂的国家，另外美国、英国、芬兰等国家都投资建了B-IGCC示范项目。

但B-IGCC技术尚未完全成熟，投资和运行成本都很高，目前其主要应用还只停留在示范和研究的阶段。

由于资金和技术问题，在中国现有条件下研究开发与国外相同技术路线的大型B-IGCC系统是非常困难的。

针对目前我国的具体情况，采用内燃机代替燃气轮机，其它部分基本相同的生物质气化系统，不失为解决我国生物质气化发电规模化发展的有效手段。

一方面，采用气体内燃机可降低对气化气杂质的要求（焦油与杂质含量＜100 mg/m3既可），因此可以大大减少技术难度；另一方面，避免了改造相当复杂的燃气轮机系统，从而大大降低了系统的成本。

从技术性能上看，这种气化及联合循环发电系统在常压气化时，整体发电效率可达28%—30%，只比传统的
低压B-IGCC降低了3%—5%。

但由于该系统简单，技术难度小，单位投资和造价大大降低（约500元/kW）。

这种技术方案比较适合我国目前的工业水平，设备可以全部国产化，适合分散的、独立的生物质能源利用系统。

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