生物质能是人类利用最早、最多的能量, 蕴含能量巨大, 地球上的生物的总产量每年多达1400t~1800t, 相当于目前世界总能耗的10倍, 有极大的开发、利用潜力。并且由于生物质能有可再生、低污染、分布广的优越性, 生物质气化技术已经成为能源开发利用领域的一个热点内容。
1 生物质气化原理, 过程及设备
生物质气化指在一定的热力学条件下, 在有限氧的情况下使生物质发生不完全燃烧, 同时将其中的可燃部分转化为可燃气的热化学反应。由于气化装置的类型、气化剂种类、反应条件、原料性质、工艺流程等条件的不同, 物质气化的过程很复杂, 但大多包括固体燃料的干燥、热分解反应、还原反应和氧化反应等四个基本过程。干燥过程需要大量的热才能将水分完全释放。当温度达到160℃以上时便开始发生高分子有机物的热分解反应, 并且温度越高, 分解进行得越激烈。由于生物质原料中含有较高的挥发分, 故在较低的温度下 (300℃~400℃) 就能释放出70%左右的挥发分 (二氧化碳, 一氧化碳, 甲烷, 氢气等) 并解析出焦油, 同时留下炭构成进一步反应的床层。而后炭层与气流中的水、氢气、二氧化碳发生还原反应生成可燃性气体。氧化反应中炭与氧气不完全燃烧生成一氧化碳, 同时放出热量, 此时温度可达1000℃~1200℃。生物质气化系统中的所应用的核心设备为气化炉。生物质气化器按照气化方式可以分为两种类型, 即固定床气化炉和流化床气化炉。
2 生物质气化的新技术
2.1 生物质气化焦油的催化裂解
在生物质气化过程中, 由于气化温度较低, 致使气化过程中产生的气体的焦油含量大 (焦油能量占可燃气能量的5%~10%) 。低温下焦油液体易与水、炭粒等结合成凝固态物质, 不仅会堵塞输气管道和阀门、燃气孔, 同时对金属管道有一定腐蚀作用, 较大的影响了设备的正常工作, 同时还会引起二次污染问题。
目前焦油的去除方法主要包括湿法, 干法和催化裂解法。其中湿法和干法净化效果不佳:湿法去除焦油时, 焦油没能充分利用, 而且产生的废水外排易造成环境污染。干法去除焦油时焦油沉积严重而且滤料沾附了大量的焦油, 难以处理。
裂解净化技术是在生物质气化过程中加入催化剂 (Ni基催化剂、煅烧白云石、橄榄石和铁催化剂等) 将焦油裂解为可利用的小分子可燃气体既提高系统能源利用率, 又彻底减少二次污染。
2.2 生物质超临界气化
超临界转换制氢是在压力为22MPa~35MPa, 温度为450℃~650℃的超临界条件下, 将生物质原料与水按一定比例混合进行反应, 从而产生氢含量较高的气体。由于超临界水基本可以溶解大部分的有机成分和气体, 反应后只剩下少量的残炭, 气化率几乎可达100%, 进行气体的分离后, 产物中氢气的含量可达到50%。对于含水量高的湿生物质可直接气化, 减少了高能耗的干燥过程, 是一种新型、高效的制氢技术。但由于反应在反应压力和温度都较高的超临界的条件下进行, 对反应设备和材料高, 相应的经济成本也高。生物质超临界水气化反应过程复杂, 目前仍停留在实验室小规模研究。
3 生物质气化技术的应用
3.1 生物质气化集中供气
生物质气化供气技术是指气化炉产出的生物质燃气, 通过相应的配套装备, 完成为居民供应燃气。生物质气化集中供气系统由原料处理设备、上料机、气化炉、净化冷却装置、罗茨风机、水封器、储气柜、管网和灶具等部分组成。生物质原料不同选用的气化炉也有所不同。
3.2 生物质气化发电
生物质气化发电是目前研究与应用最多、装备最为完善的技术。按燃气发电过程分, 生物质气化发电可分为燃气轮机发电、内燃机发电及燃气-蒸汽联合循环发电。燃气轮机, 内燃机由于技术和单机功率较低等问题, 一般不用来单独发电。燃气-蒸汽联合循环发电, 是在内燃机或燃气轮机发电的基础上, 增加余热蒸汽的联合循环, 采用燃气轮机发电设备和高压气化装置, 构成生物质整体气化联合循环系统, 系统效率可达40%以上, 可以有效地提高整体发电效率。而由一个燃气轮机代替整体气化联合循环系统的燃气轮机和汽轮机而构成的整体气化热空气循环, 它由燃气和水蒸气的混合工质通过燃气轮机输出有用功, 其整体效率可以达到60%, 具有良好的发展前景。
3.3 生物质气化合成化学品
生物质气化合成化学品是指气化炉产出的生物质燃气, 经过一定的加工工艺合成为化学品。目前主要是合成甲醇和氨。合成甲醇是以生物质为原料进行热解气化, 经净化后对气体重整, 调节H/C比例, 合成甲醇并分离提纯的过程。为了提高整个系统的效率, 降低甲醇产品的成本, 还可利用以上过程中产生的余热、尾气等实行热电联供。合成氨是以泥炭等生物质为原料, 以氧气和水蒸气为气化剂, 经气化炉产生气体, 再净化后可合成氨气。
4 结语
虽然生物质能发展过程仍然面临着不少技术问题, 如焦油问题, 二次污染问题, 气体热值较低问题, 控制问题, 更重要的还有经济效益问题, 但在21世纪中, 生物质能的低硫和二氧化碳零排放优点使诸多国家已将其列为重点项目。相信生物质气化技术必能突破技术瓶颈, 在处理城乡废弃物, 促进节能减排, 加快经济发展等方面发挥更加积极的作用。
摘要：本文综述了生物质气化技术的原理、过程及设备, 生物质气化的新技术, 与目前气化技术在供热, 集中供气, 发电及合成化学品上的应用, 日后生物质气化技术必将对全球经济的发展产生深远的影响。
关键词：生物质气化,新技术,应用
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