趙小玲

(西安科技大學，陜西西安，710054)

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生物質氣化技術及產業(yè)化應用

趙小玲

(西安科技大學，陜西西安，710054)

摘要：生物質熱分解(氣化)技術是生物質熱轉化技術的核心之一，分為生物質直接氣化技術和生物質間接氣化技術。生物質間接氣化技術可以實現生物合成氣、熱、電的高效聯產。本文介紹和分析了歐洲已經建成的第一個大型生物甲烷氣示范項目和實現生物質甲烷氣并網用于汽車用氣和居家燃氣的流程。

關鍵詞：生物質熱分解；生物質氣化；BFB氣化爐；CFB燃燒爐；GoBiGas項目；生物質甲烷氣

本課題系陜西省教育廳專項項目資金支持，項目編號12JK0601。

生物質能是重要的可再生能源，開發(fā)利用生物質能，是發(fā)展循環(huán)經濟的重要內容。我國生物質能產業(yè)在“十二五”期間快速發(fā)展，開發(fā)利用規(guī)模不斷擴大，有些領域初步實現產業(yè)化。目前我國在生物質的低溫發(fā)酵方面研究和應用較多，但生物質的熱化學轉化技術及其應用，相對歐洲而言存在著一定的差距。

生物質熱化學轉化是生物質能源利用技術的重要方面[1]，可以實現高效綜合利用。熱分解(氣化)和熱裂解是生物質熱化學轉化技術平臺的兩大核心內容，生物質氣化技術包括生物質直接氣化和生物質間接氣化兩種，本文重點介紹和分析了生物質間接氣化技術及其產業(yè)化高效應用的案例。

1生物質間接氣化技術

生物質間接氣化技術適用于多種可再生的生物質燃料，包括城市污泥、生活垃圾、農作物殘余物、木材殘余物和木質生物質等。通過生物質氣化技術可以將這些生物質轉化為高熱值的生物質甲烷氣[1]以及熱、電。

生物質氣化技術的核心部分包括：①生物質燃料在氣化爐(BFB)中進行氣化；②用蒸汽對氣化爐進行鼓泡流動；③氣化器中生成的焦炭、焦油在燃燒爐(CFB)中燃燒加熱床底物；④燃燒爐中的床底物返回氣化爐中對生物質進行氣化。生物質間接氣化示意圖見圖1[2]。

圖1　生物質間接氣化示意圖

2生物質間接氣化流程和工業(yè)化應用案例

瑞典的GoBiGas項目[3]，是典型的采用生物質間接氣化流程生產生物質甲烷氣的工業(yè)化應用案例。GoBiGas項目位于瑞典的哥德堡市Harbor港，全名為哥德堡生物質氣化項目(Gothenburg Biomass Gasification Projects)。目標是通過生物質氣化以生產生物質甲烷氣，實現生物質甲烷氣通入到城市現有的燃氣管道，氣體最終被用作汽車用氣和家用燃氣，以解決天燃氣不足和實現對生物質的高效綜合利用。該項目得到了歐盟委員會的支持和資助，由瑞典能源部提供項目資金。項目的工藝過程包括兩個部分：生物質氣化流程(芬蘭維美德公司提供生物質精煉技術)和粗合成氣甲烷化流程(丹麥Haldor Tops?e公司提供技術)。GoBiGas項目流程圖見圖2。

圖2　GoBiGas項目流程圖

項目分為兩個階段實施，一期項目是示范項目，生產量為20 MW的生物質甲烷氣(類似天然甲烷氣)；二期項目為產量80～100 MW的生物質甲烷氣，真正實現商業(yè)化。一期項目已經于2014年初正式投產，生產的生物質甲烷氣主要用于運輸行業(yè)，服務于全瑞典200多個CNG加氣站，供超過4萬輛燃氣車輛使用。二期計劃于2016年投入運營。

2.1生物質氣化流程

由圖2中生物質氣化的流程可以看出，林業(yè)廢渣進行干燥處理，然后同木片混合，進行燃料化預處理，再送入鼓泡式流化床氣化爐，這個過程與循環(huán)式流化床燃燒爐結合，循環(huán)式燃燒爐對生物質熱分解后的焦炭、焦油進行燃燒，產生熱和蒸汽，蒸汽用來作為氣化爐的加熱和鼓泡、熱分解和其他的使用，循環(huán)式流化床燃燒爐的床底物進入氣化器中循環(huán)對木片和林業(yè)廢渣進行熱分解。該過程分解出來的氣體為粗合成氣，其中包含有焦油、顆粒物、硫化物、氮化物、鹵素、重金屬、堿金屬等多種雜質，這些雜質會導致后續(xù)工藝中出問題，尤其是容易引起甲烷化催化劑失活。因此，這些粗合成氣在進入甲烷化工藝裝置前需進行清潔凈化過程，去除焦油和硫等雜質。循環(huán)式流化床燃燒爐產生的熱和煙道氣可以進行利用，以保證生物質氣化過程產生的氣和熱都能實現有效性和環(huán)保性。

2.2合成氣甲烷化流程

在GoBiGas項目中，包括了甲烷化工廠和熱電廠，以實現生物質的高能效綜合利用，通過輸入林業(yè)廢渣，輸出車用燃氣、社區(qū)供熱和供電。由圖2中的甲烷化流程可以看出，生物質氣化出來的粗合成氣經過脫焦和脫硫(稱之為合成氣)后，需要進行合成氣調整和合成氣轉化才能最終產生生物質甲烷氣[4]。

2.2.1合成氣調整

粗合成氣中H2的比例比CO低，在進入甲烷化裝置前需提高H2的比例，以滿足甲烷化反應的要求，H2比例的變換也被稱為合成氣調整。一般通過水氣變換反應來實現。由于前面工序不能完全去除硫化物，水氣變換采用酸性耐硫催化劑。水汽變換的反應化學式見式(1)，同時合成氣中不飽和烯烴也轉化為CO和H2小分子。

(1)

2.2.2合成氣甲烷化轉化

合成氣進行甲烷化反應，就是將H2和CO2轉化為CH4。這個過程化學反應式見式(2)和式(3)。

CO2+4H2→CH4+2H2O

(2)

CO+3H2→CH4+H2O

(3)

所有合成氣轉化為CH4后，經過去除CO2，得到生物質甲烷氣。轉化過程的技術核心是催化反應器的設計和催化劑的選擇[5]。目前催化劑一般選擇鈷鉬系或鎳鉬系耐硫催化劑，該催化劑的優(yōu)點在于耐硫、對原料氣體里雜質含量適應性強。另外，去除出來的CO2被用于其他工業(yè)生產用氣，作為該項目的副產品出售。

2.3一期示范工廠[6]

示范工廠外景圖見圖3。一期示范項目已經于2014年12月全面達產，并實現了并入城市天然氣供氣網，合成氣中的甲烷氣含量達到95%以上，每年滿足15000輛小車和400輛公交車的用氣。在生物質燃料的使用上更加廣泛和靈活。根據瑞典的規(guī)劃，目前二期項目正在建設中。

一期示范工廠運行情況：

(1)產出的生物質甲烷氣成分：壓力，約500 kPa；CH4>94%；H2<2.0%；(CO2+N2)<4.0%。

(2)能量轉化率：生物質到生物質甲烷氣>65%；能效>90%；年運行時間8000 h。

(3)能耗：燃料(木片)32 MW；電能3 MW；熱能(熱油)0.5 MW。

(4)產出：生物質甲烷氣20 MW；分布式熱能5 MW；熱泵熱能6 MW。

圖3　GoBiGas項目工廠外景圖

在歐洲，類似工廠還有奧地利的Gussing項目和德國的Senden項目，其主要產出物為熱電，但均不及GoBiGas項目先進。而GoBiGas項目是世界上第一個大型氣化生產甲烷的項目。據悉，2020年前瑞典還將在其他地區(qū)建設10～15個類似項目，熱分解(氣化)技術在歐洲的應用已經趨于成熟。

3結語

生物質熱分解技術可以實現熱、電、氣聯產，并能推動化工行業(yè)和林產行業(yè)的聯動發(fā)展，把生物質的高效綜合利用變?yōu)楝F實。生物質熱分解技術在環(huán)保方面的貢獻是顯而易見的，更重要的它可以減少人類對化石能源的依賴，實現能源供給的可持續(xù)性發(fā)展。

采用生物質熱分解技術生產燃氣在我國發(fā)展的相對緩慢，一方面是由于化石能源成本相對低廉，另一方面，國內的林業(yè)廢渣被直接燃燒或改作別的用途。但隨著政府環(huán)保力度的不斷加大、人們環(huán)保意識的增強和對環(huán)境要求的提高，生物質熱分解技術的應用將會是我國解決城市霧霾降低PM2.5和高效利用林業(yè)殘渣、農作物殘留物和城市垃圾的有效技術和發(fā)展方向之一，加深和推進生物質技術的研發(fā)和應用勢在必行。

參考文獻

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趙小玲. 生物質精煉技術和生物質能源創(chuàng)新[J]. 中國造紙， 2012, 31(12)： 51.

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(責任編輯：馬忻)

·生物質氣化技術·

Biomass Gasification Technology Introduction and Industrial References

ZHAO Xiao-ling

(Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710054)

(E-mail: youngthinkling@126.com)

Abstract：Biomass pyrolysis technology is just half of biomass thermal converting technology, it includes biomass direct gasification and indirect gasification. Latest technology of biomass gasification can realize the high efficiency integration of biogas, heat and electricity production. This paper introduced the large scale biogas demonstration project and the end product had been supplied to natural gas grid to use for vehicles and residents home using in Europe.

Key words：biomass pyrolysis； biomass gasification； BFB gasifier； CFB combustor； GoBiGas project; biomass methane

收稿日期：2015-11-16(修改稿)

中圖分類號：TS7

文獻標識碼：ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2015.12.013

作者簡介：趙小玲女士，講師；主要從事化學工藝學研究與教學工作。