呂仲明，徐盛林

（武昌首義學(xué)院，武漢 430064）

前言

我國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，隨著能源需求的迅速增長(zhǎng)，化石原料的日趨枯竭，大量使用化石燃料對(duì)資源造成了很大浪費(fèi)，并對(duì)環(huán)境和生態(tài)造成污染，產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。因而，迫切需求開(kāi)發(fā)清潔的可再生能源，而可再生能源之一的生物質(zhì)能源就是能夠儲(chǔ)存和可運(yùn)輸?shù)那鍧嵞茉?，其具有資源分布廣、儲(chǔ)存量大的優(yōu)勢(shì)，故開(kāi)發(fā)潛力巨大。

生物質(zhì)氣化技術(shù)是一種熱化學(xué)處理技術(shù)，是將固體生物質(zhì)放入氣化爐中進(jìn)行加熱從而轉(zhuǎn)換可燃性氣體，以此用作燃料。其基本原理是將固體生物質(zhì)原料進(jìn)行不完全燃燒，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要加入氧氣或水蒸汽等氣化劑，使其發(fā)生氧化反應(yīng)并燃燒。由于固體生物質(zhì)原料具有特殊物理性質(zhì)，在進(jìn)入氣化爐進(jìn)行氣化前需對(duì)固體生物質(zhì)原料進(jìn)行破碎和增添介質(zhì)等預(yù)處理。通過(guò)預(yù)處理的原料在氣化爐中進(jìn)行燃燒，其產(chǎn)生的熱量用于維持熱解和還原反應(yīng)，最終得到可燃性混合氣體，對(duì)該氣體過(guò)濾除去焦油及雜質(zhì)后，即可用于燃燒供暖或發(fā)電[1、2]。生物質(zhì)氣化原理如圖1。

圖1 生物質(zhì)氣化原理

1 國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)氣化技術(shù)概況

目前，生物質(zhì)氣化技術(shù)具有較大的環(huán)境優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，很多國(guó)家都開(kāi)展了相應(yīng)的技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)，例如印度的綠色能源工程、美國(guó)的能源工廠和巴西的酒精能源計(jì)劃等。

1.1 國(guó)外生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

在美國(guó)，生物質(zhì)氣化技術(shù)已具有很大的規(guī)模，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的清潔能源已達(dá)到全國(guó)能源消耗的4%。在美國(guó)紐約，斯塔藤垃圾處理站采用濕法處理垃圾，日產(chǎn)可燃燒氣體26萬(wàn)立方米，利用氣化產(chǎn)生的可燃燒氣體發(fā)電，同時(shí)生產(chǎn)肥料從而避免環(huán)境污染[3]。

2006年10月，荷蘭政府每年提供1200萬(wàn)研發(fā)經(jīng)費(fèi)用于開(kāi)發(fā)新型生物質(zhì)燃料。同時(shí)荷蘭政府投資建設(shè)了85MW的循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化廠，生物質(zhì)原料采用廢棄的朽木，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w在600MW粉煤鍋爐內(nèi)和煤炭一起燃燒[4]。意大利拉奎拉大學(xué)的Pier Ugo Foscol等[5]在2006年設(shè)計(jì)出一套隔板內(nèi)循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化裝置并以此為實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了冷態(tài)調(diào)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)節(jié)擋板所處的位置和氣流速度能夠控制固體循環(huán)率。并且當(dāng)床料量超出擋板上沿時(shí)，床料顆粒可以進(jìn)行循環(huán)。Sascha R.A.Kersten等[6]設(shè)計(jì)了一種新型的多級(jí)循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化反應(yīng)系統(tǒng)，該反應(yīng)系統(tǒng)由多個(gè)工作狀況接近的流化床串聯(lián)而成。通過(guò)這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效防止物料反混，同時(shí)創(chuàng)造出一個(gè)位于底部的碳和空氣燃燒區(qū)，進(jìn)而提高了流化床的氣化效率。Song等[7]設(shè)計(jì)了一套燃燒-氣化互聯(lián)流化床，燃燒流化床后加設(shè)旋風(fēng)分離器，形成兩個(gè)流化床外部連接，防止燃燒流化床與循環(huán)流化床直接相連，燃燒流化床為氣化流化床提供熱量，氣化流化床將焦油送至燃燒流化床，有利于焦油分解，提高燃燒品質(zhì)。

日本在生物質(zhì)利用技術(shù)方面所獲得的專利已占世界生物質(zhì)發(fā)明專利的一半，其中生物質(zhì)氣化能源利用方面的領(lǐng)域占了81%。生物質(zhì)發(fā)電在日本已悄然興起，2004年4月，東京興建了目前日本國(guó)內(nèi)最大的生鮮垃圾發(fā)電廠。

同時(shí)，發(fā)展中國(guó)家也陸續(xù)展開(kāi)相關(guān)研究，孟加拉國(guó)建成的下吸收氣化裝置已投入運(yùn)行，馬來(lái)西亞逐漸使用固定床氣化設(shè)備進(jìn)行發(fā)電。

1.2 我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代初期，在近30年取得了較大的進(jìn)步，其中自行研制的用戶氣化爐及氣化發(fā)電裝置等已進(jìn)入實(shí)用示范階段，形成了不同系列的氣化爐種類，從而滿足不同種類物料的氣化要求[8]。生物質(zhì)氣化是指將固體生物質(zhì)原料用粉碎機(jī)粉碎處理從而達(dá)到氣化爐的使用要求并由輸料裝置送入氣化爐中進(jìn)行不完全燃燒。物料在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的燃?xì)馔ㄟ^(guò)降溫、凈化系統(tǒng)除去灰塵、焦油后由輸送設(shè)備經(jīng)水封送入貯氣柜中。貯氣柜中的燃?xì)饪梢越?jīng)管網(wǎng)送至用戶[9]。生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2 生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)工藝流程

在我國(guó)，科研單位利用生物質(zhì)氣化技術(shù)不僅在集中供氣方面有著較廣泛的應(yīng)用，更是將生物質(zhì)氣化技術(shù)進(jìn)行發(fā)電并取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)電的原理是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)鈴亩每扇細(xì)馔苿?dòng)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電[10、11]。氣化發(fā)電過(guò)程主要有3個(gè)方面：1）在氣化爐中把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；2）將產(chǎn)生的氣體燃料進(jìn)行凈化從而保證燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行；3）利用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電，提高了發(fā)電效率。其中廣州能源所將木質(zhì)廢棄物作為原料開(kāi)發(fā)循環(huán)流化床氣化技術(shù)，該氣化發(fā)電技術(shù)的有效開(kāi)發(fā)可以完成4MW的發(fā)電能力。

生物質(zhì)氣化合成液體燃料通過(guò)熱化學(xué)方法將生物質(zhì)氣化產(chǎn)生高質(zhì)量的合成氣，進(jìn)而采用催化合成技術(shù)合成液體燃料，是一種間接液化技術(shù)。其中在合成液體燃料方面，廣州能源所已研制成功合成柴油中試裝置和氣化合成DME的中試裝置，標(biāo)志著我國(guó)在合成燃料關(guān)鍵技術(shù)方面取得了較大的進(jìn)展，推進(jìn)了生物質(zhì)氣化合成技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，為我國(guó)生物燃?xì)饪萍脊こ痰膶?shí)施提供了基礎(chǔ)。

在家用、集中供熱和供氣方面，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院研制的ND系列和錐形流化床、江蘇金江生物能源科技有限公司研制的固體有機(jī)廢棄物規(guī)?；謪^(qū)式氣化爐都取得了較大的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

2 氣化爐的研究現(xiàn)狀

氣化爐是生物質(zhì)氣化技術(shù)中的核心設(shè)備，其作用是將爐內(nèi)的固體生物質(zhì)原料進(jìn)行氣化得到可燃性氣體。生物質(zhì)氣化爐大致分為固定床氣化爐、流化床氣化爐、氣流床氣化爐和等離子體氣化爐四種類型[12、13]。

2.1 固定床氣化爐

固定床氣化爐內(nèi)的物料相對(duì)于氣流來(lái)說(shuō)是處于相對(duì)靜止的。物料在爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)分為干燥、熱解、燃燒和還原四個(gè)階段。根據(jù)氣化劑的流動(dòng)方向，可將固定床氣化爐分為上吸式、下吸式和分區(qū)式。目前最常用的為上吸式和下吸式兩種固定床氣化爐，其工作原理及氣流走向如圖3所示。

圖3 兩種固定床氣化爐的原理及氣流走向

固定床氣化爐的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、操作較易，對(duì)原料的種類及粉碎度要求不高。缺點(diǎn)是相比其他類型的爐子產(chǎn)氣量較小，多用于小型氣化站，不適合較大的生產(chǎn)規(guī)模。

2.2 流化床氣化爐

流化床氣化爐是將顆粒狀的物料和氣化劑充分接觸發(fā)生氣化反應(yīng)[14]。按氣化爐的結(jié)構(gòu)和氣化過(guò)程，將流化床氣化爐分為單流化床氣化爐和循環(huán)流化床氣化爐。氣化爐的工作原理及氣流走向如圖4所示。

圖4 流化床氣化爐的原理及氣流走勢(shì)

流化床氣化爐具有溫度分布均勻、傳熱面積大、氣化效率高、能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，但要求使用的原料顆粒細(xì)小，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

2.3 氣流床氣化爐

氣流床氣化爐是將已被粉碎的原料和氣化劑同時(shí)進(jìn)入氣化爐內(nèi)，特點(diǎn)是產(chǎn)生的大部分焦油可在氣化過(guò)程中裂化，從而使產(chǎn)生的可燃性氣體中不含焦油，而附著在氣化爐壁上的灰質(zhì)可作為熔渣，從而方便清理。

2.4 等離子體氣化爐

等離子體氣化爐是指當(dāng)原料與由電生成的等離子體接觸后，原料中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的可燃性合成氣體，而原料中的無(wú)機(jī)物變成玻璃化的惰性熔渣。優(yōu)點(diǎn)是氣化效率高，能夠得到不含焦油的可燃性氣體。

3 我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 存在的問(wèn)題

生物質(zhì)氣化技術(shù)的主要問(wèn)題是焦油問(wèn)題，也是氣化發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵部分，氣化過(guò)程產(chǎn)生的焦油過(guò)多，導(dǎo)致用于發(fā)電或供氣會(huì)造成一系列技術(shù)問(wèn)題。氣化過(guò)程產(chǎn)生的氣體焦油遇冷會(huì)形成液態(tài)焦油，造成管道堵塞及污染氣缸；火花塞或燃?xì)饪锥氯?，?huì)導(dǎo)致發(fā)電和供氣設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。解決焦油問(wèn)題最徹底的方法就是將焦油裂解為永久性氣體，因而研究焦油裂解的實(shí)用方法是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題[15]。

二次污染問(wèn)題是生物質(zhì)氣化技術(shù)的另一個(gè)問(wèn)題。氣化裝置及凈化裝置需要用大量的水作為除塵、除焦介質(zhì)，當(dāng)含有焦油的水和帶有灰塵的氣體排出，就會(huì)造成二次污染。除去灰塵污染只需提高氣化效率即可，但對(duì)于廢水的處理問(wèn)題目前還沒(méi)有更好的方法，最根本的方法就是減少焦油的產(chǎn)生[16]。

生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的氣體熱值偏低也是制約我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樯镔|(zhì)氣化后的可燃?xì)怏w成分少，熱值較低，為了滿足所需的正常熱量，就要消耗大量的氣體，這會(huì)造成貯氣柜體積增大，從而使貯氣柜的投資增加。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)[17]

（1）研究產(chǎn)氣熱值高、氣化效率高的新型氣化爐技術(shù)。

（2）研究新的焦油脫除技術(shù)降低合成氣中的焦油含量。

（3）進(jìn)一步研究流化床氣化爐技術(shù)是我國(guó)今后生物質(zhì)氣化研究的主要方向。

（4）開(kāi)發(fā)規(guī)模較大的氣化爐，為以后大規(guī)模的生物質(zhì)氣化合成燃料提供設(shè)備支持。

（5）研發(fā)自動(dòng)化和智能化程度高的氣化爐，加強(qiáng)原料的預(yù)處理是氣化爐在推廣和應(yīng)用過(guò)程中非常重要的組成部分。

（6）生物質(zhì)原料種類不同，氣化過(guò)程復(fù)雜多變，對(duì)熱解過(guò)程的機(jī)理研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。將來(lái)可以利用更加先進(jìn)的分析儀器，對(duì)氣化過(guò)程中得到的產(chǎn)物能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行分析，獲得產(chǎn)物與反應(yīng)條件的規(guī)律性關(guān)系，將會(huì)對(duì)生物質(zhì)氣化技術(shù)的機(jī)理研究具有更加全面的認(rèn)識(shí)。

（7）將生物質(zhì)氣化技術(shù)與氣化爐結(jié)合起來(lái)，以生物質(zhì)氣化工藝為指導(dǎo)進(jìn)行裝置的開(kāi)發(fā)，提高裝置的氣化效率，同時(shí)可以使生物質(zhì)氣化技術(shù)為實(shí)現(xiàn)以科技創(chuàng)新推動(dòng)農(nóng)村環(huán)境保護(hù)、建立農(nóng)村生物質(zhì)綜合利用技術(shù)，加快社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)步伐，加快改善農(nóng)民生產(chǎn)與生活環(huán)境的進(jìn)程提供技術(shù)支持，提高國(guó)家的民生建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今世界資源整體形勢(shì)下，我國(guó)已連續(xù)在四個(gè)國(guó)家五年計(jì)劃中將生物質(zhì)能利用技術(shù)與應(yīng)用列為國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，展現(xiàn)出對(duì)生物質(zhì)能源利用的重視度。優(yōu)秀的科研成果和技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，中小規(guī)模的集中供氣、供熱和發(fā)電已進(jìn)入實(shí)用階段，使我國(guó)的生物質(zhì)氣化技術(shù)得到了快速的發(fā)展，但是總體仍然落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，所以，必須要時(shí)刻跟隨時(shí)代發(fā)展的需求，解決生物質(zhì)氣化的關(guān)鍵技術(shù)，研制相關(guān)的配套設(shè)施，解決技術(shù)和市場(chǎng)之間的供需問(wèn)題，從而推進(jìn)我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展。