生物質(zhì)氣化原理和生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)
2022-01-22
介紹了國內(nèi)外生物質(zhì)氣化技術(shù)在集中供氣、供熱和發(fā)電方面的發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況，重點介紹了適用于大規(guī)模生物質(zhì)氣化合成液體燃料的氣化爐；指出了生物質(zhì)氣化技術(shù)需要解決的問題，提出了我國在生物質(zhì)氣化領域的重點研究方向。
能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對能源的需求也越來越大。大量的開采和使用化石能源會污染環(huán)境和破壞生態(tài)平衡，開發(fā)和利用清潔的可再生能源已經(jīng)迫在眉睫，生物質(zhì)是可以轉(zhuǎn)化為液體燃料的環(huán)境友好的可再生能源，是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源。生物質(zhì)氣化技術(shù)是清潔高效利用生物質(zhì)能的有效途徑之一，生物質(zhì)氣化技術(shù)除了可以用于發(fā)電、供氣、供熱等方面外，還可以用于將各種生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成為高品位的液體燃料。
一、生物質(zhì)氣化原理
生物質(zhì)氣化是指將固體生物質(zhì)加熱，進行不完全燃燒，使生物質(zhì)裂解，變成小分子量的CO、H2、CH4等可燃性氣體，在轉(zhuǎn)換過程中要加入氣化劑(空氣、氧氣或水蒸氣)。由于生物質(zhì)的特殊性質(zhì)，在氣化前還需要經(jīng)過干燥、破碎和切片等預處理過程。經(jīng)預處理的生物質(zhì)在氣化爐中，約于600℃下發(fā)生熱解反應，生成的氣體中包括解離氣體、氣化的揮發(fā)分、H2、CO、CO2、焦油和水蒸氣。由于生物質(zhì)中的揮發(fā)分含量(70%～80%，干基)遠高于煤炭(30%)，所以生物質(zhì)氣化的熱解反應比煤炭更為重要。揮發(fā)分在氣相中的熱裂化反應可降低焦油量，熱解反應的副產(chǎn)物是生成不揮發(fā)的焦炭和灰分。在氣化爐中的第二反應為焦炭與氧氣、蒸汽反應，生成H2、CO、CO2等氣體，未轉(zhuǎn)化的焦炭燃燒為熱解反應提供所需的熱量。
二、生物質(zhì)氣化技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1、國外生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展概況
生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)早在18世紀就已出現(xiàn)，第二次世界大戰(zhàn)期間，為解決石油燃料的短缺，用于內(nèi)燃機的小型氣化裝置得到廣泛使用。20世紀五六十年代，煤炭和石油等化石能源的廣泛應用，使能源短缺問題得到暫時性的緩解。由于生物質(zhì)氣化技術(shù)的不完善和利用率低等原因，生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展和應用產(chǎn)生了延滯。20世紀70年代，受石油危機的影響，世界各國再一次深該認識到化石能源的不可再生性，重新開始了對生物質(zhì)能源的開發(fā)和研究。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，歐美等國的生物質(zhì)氣化技術(shù)取得了很大的成就。生物質(zhì)氣化設備規(guī)模較大，自動化程度高，工藝較復雜，主要以供熱、發(fā)電和合成液體燃料為主，目前開發(fā)了多系列已達到示范工廠和商業(yè)應用規(guī)模的氣化爐。
生物質(zhì)氣化領域處于領先世界水平的國家有瑞典、丹麥、奧地利、德國、美國和加拿大等。瑞典和丹麥正在實行利用生物質(zhì)進行熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃，使生物質(zhì)能在轉(zhuǎn)換為高品位電能的同時滿足供熱的需求，可以大幅度提高其轉(zhuǎn)換效率。美國在利用生物質(zhì)能發(fā)電方面處于世界領先地位。目前，美國生物質(zhì)發(fā)電裝機總?cè)萘恳堰_10500MW，70%為生物質(zhì)—煤混合燃燒氣化技術(shù)，單機容量30～100MW，發(fā)電成本3～6美分/(kW·h)，預計到2015年美國生物質(zhì)發(fā)電裝機總?cè)萘繉⑦_16300MW。美國在生物質(zhì)氣化合成乙醇方面取得了很大的成就。歐盟國家在生物質(zhì)氣化合成柴油方面取得了很大的成就。2004年歐盟國家的生物質(zhì)氣化合成柴油的產(chǎn)量達到224萬t，德國是歐盟最大的生物質(zhì)氣化合成柴油生產(chǎn)國，2004年的生產(chǎn)能力達到了109．7萬t。
2、我國生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)發(fā)展概況
我國對生物質(zhì)氣化研究起步較晚，始于20世紀80年代。經(jīng)過近30年的努力我國生物質(zhì)氣化技術(shù)取得了較大的進步，我國自行研制的集中供氣、發(fā)電、戶用氣化爐等產(chǎn)品已進入實用化試驗及示范階段，形成了多個系列的氣化爐，可滿足多種物料的氣化要求，在生活用能、發(fā)電、供暖等領域得到應用。但其容量多是小型的，大容量的氣化設備仍處于實驗室研究階段。
生物質(zhì)氣化發(fā)電方面：80年代初期，我國自主研制了由固定床氣化器和內(nèi)燃機組成的200kW稻殼發(fā)電機組并得到推廣；中國農(nóng)機院、中國林科院分別在河北、安徽建立了400kW氣化發(fā)電機組；勝利油田動力機械有限公司成功研制了功率190kW的180GF－RFm型秸稈氣發(fā)電機組；廣州能源所以木屑和木粉為原料應用循環(huán)流化床氣化技術(shù)，完成發(fā)電能力為4MW的氣化發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)。在合成液體燃料方面也取得一定成就，廣州能源所已成功研制了合成柴油中試裝置和年產(chǎn)百噸級生物質(zhì)氣化合成DME的中試裝置。
三、結(jié)束語
經(jīng)過了30年的研究和開發(fā)，我國的生物質(zhì)氣化技術(shù)在集中供氣、供熱、發(fā)電方面進入到示范應用研究階段，并探索了生物質(zhì)氣化合成液體燃料、制氫的技術(shù)；但是和歐美等發(fā)達國家相比我國的氣化技術(shù)還有很大的差距。在氣化技術(shù)方面還存在許多問題：規(guī)模小、氣化效率低、合成氣熱值低、焦油含量較高、經(jīng)濟效率低等問題。
生物質(zhì)氣化技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及未來發(fā)展方向主要包括：大力開發(fā)氣化效率高、產(chǎn)氣熱值高的氣化爐技術(shù)；開發(fā)新的焦油脫除技術(shù)，降低合成氣中的焦油含量；流化床氣化爐具有較好的經(jīng)濟效益和放大的潛力，流化床氣化爐技術(shù)為我國今后生物質(zhì)氣化研究的主要方向；開發(fā)規(guī)模較大的流化床氣化爐技術(shù)，為以后大規(guī)模的生物質(zhì)氣化合成液體燃料提供基礎。
