生物质热解气化及应用技术

作者：山东省科学院能源所 孙立 许敏 许崇庆

欢迎访问e展厅 展厅 7 农业环保机械展厅 秸秆粉碎机, 木屑颗粒机, 秸秆压块机, 铡草机, 秸秆气化炉, ... 一、引言 随着工农业经济的发展，全世界对能源的需求日益增加，据报道，到2020年全世界的能量消耗量将比现在增长一倍。目前，这种能源需求主要通过增加石油、煤炭的消耗量来满足，这不仅涉及到有限的石油、煤炭资源的维持问题，而且会使危及人类的环境污染问题变得日趋严重，因此，寻求新能源和可再生能源是我们迫切需要解决的重大课题。各类农作物秸秆和各种工业生物质垃圾等生物质原料一方面是主要的污染源，同时也是极为重要的可再生资源。 仅我国农村每年就有各类农作物秸秆6亿多吨，除用于畜牧饲料、还田肥料、工业原料及直接燃用秸秆作为农民的炊事燃料以外，出现了剩余成灾的现象。每到收获季节，大量的秸秆在田间地头被付之一炬，既浪费了宝贵的资源，也严重污染了环境，甚至影响到公路交通及飞机的正常起降。有关部门曾多次发文禁止焚烧秸秆，但一直未能杜绝这一现象，而且在一些地区甚至有愈烧愈烈之势。同时，农村优质商品能源的短缺已经制约了9亿农民生活方式的进步和农村的社会发展。 许多企业在生产产品的过程中，也产生了各种大量的生物质废料，如纸厂麦草筛选废料、中药渣、蔗渣、糠醛渣、木屑、稻壳等，已成为较难处理的生物质垃圾。目前大都采用堆积或挖坑倾倒的方法，既浪费了人力财力，污染了环境，又占用了大量的有效土地，同时，也使这些低质生物质能源白白地浪费，而其中多数企业还需大量购买商品能源，以满足生产需要。 生物质能是来源于太阳能的一种可再生能源，资源丰富，分布均匀，生物质在生长过程中吸收大气中的CO2而成为碳元素向地表循环的最重要途径。因此利用新技术开发利用生物质能不仅可以代替部分化石原料，而且有助于减轻温室效应和使生态良性循环，成为解决能源与环保问题的重要途径之一。 但是，生物质原料也具有松散、密度低、高挥发分、低热值等缺点，带来了收集、贮存和使用的困难。炉灶直接燃烧是主要的传统生物质能利用方法，其能源利用率只有10-15%，用能过程费时费力，并排放出大量烟尘。只有采用新的转换技术克服这些缺点，才能使生物质这种宝贵而丰富的资源在现代能源结构中保持它的地位。生物质热解气化技术可以将固体生物质原料转变成气体燃料，使其使用更加方便清洁，而且能量转换效率比直接燃烧有较大提高。是一种极具发展前途的可再生能源利用方式。 二、国内外情况及发展趋势 能源是国民经济发展的物质基础，人类的进步和社会的发展与能源的开发利用和能源科技的发展紧密相关，同时能源开发利用所产生的环境污染和生态破坏又影响着人类的生存。在人类历史上，首先被开发利用的能源是生物质能，只是在工业革命以后，能量密度更高，而开采、运输、使用更为方便的煤、石油、天然气等化石能源才逐步取代了生物质能的作用，大量用于生产。由于化石能源的大量开采利用带来了不可逆转的环境和生态破坏，更由于七十年代的石油危机使工业发达国家认识到化石能源的不可再生性和分布不均匀性，世界各国都愈来愈重视包括生物质能在内的可再生能源技术的开发。我国也制定了一系列有关可再生能源的政策法规，提出了“因地制宜、多能互补、综合利用、讲求效益”的指导思想。 生物质热解气化可分为热解、气化和快速热解等技术，其转换过程和应用过程都可以派生出许多技术，形成丰富多彩的技术门类，如：气化器的形式有固定床、移动床、流化床、气流床等；气化介质可以是空气、空气/水蒸气、富氧空气等；而燃气则可用于炊事、加热、锅炉或发电等。生物质热解气化技术已有100多年的历史，以木炭为原料的气化反应器产生于1983年。早期的技术主要是将木炭气化后用作内燃机燃料。二战期间，这一技术在工程上得到了广泛的应用，我国在石油供应紧张的五十年代，也较多地使用气化器来解决汽车和农田灌溉的动力问题。 七十年代以来，欧美等发达国家对生物质气化技术的研究十分重视，均有许多单位在进行此项技术的研究，并达到了较高的水平。如德国鲁奇公司正在进行100MW生物质燃气联合循环（IGCC）的示范工程，成功后将是一种高效的发电系统；美国可再生能源实验室（NREL）和夏威夷大学也在进行IGCC的蔗渣发电系统的研究；荷兰特温特（Twente）大学进行流化床气化器和焦油催化裂解装置的研究，推出了近于实用的无焦油气化系统。近期的研究主要集中于将生物质转换为高氢燃气、裂解油等高品质燃料，并结合燃气轮机，斯特林发动机、燃料电池等转换方式，转换为电能，为21世纪的电力供应作技术储备。英国Aston大学和美国的诸多研究单位在生物质热解液化的研究方面也取得了一定的突破。 我国一些研究单位也在进行生物质气化技术的研究，开发了一批适合我国国情的技术和产品，已经达到实用程度并且已进行示范推广的技术主要有：（1）秸秆气化集中供气技术，即山东省科学院能源研究所经过“七五”、“八五”、“九五”期间的研究形成的技术，已形成可供100－1000户居民炊事用能的供气系统。（2）气化发电机组：原商业部科研所和红岩机器厂研制的稻壳发电系统，已有一定程度的推广，中科院广州能源所研制的1MW流化床气化发电系统代表了我国目前气化发电技术的水平；（3）木材加工废弃物气化后直接利用，如中国农机院研制的木材气化烘干设备等。这些技术展示了生物质气化技术的经济可行性和发展趋势。 三、本单位工作概况 1、研究与开发 山东省科学院能源研究所在生物质热解气化技术研究方面，先后承担了国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关项目中秸秆气化集中供气技术专题及山东省的科技攻关课题。经过大量实验研究工作，克服了秸秆物理性质方面的缺点，突破原有气化理论的限制，成功地气化了秸秆类低质生物质原料，在国内首先提出了生物质气化集中供气系统的技术路线。该技术采用热解气化的方法将秸秆转换为可燃气体，以自然村为单元形成集中供气系统，为农民供应炊事燃气。以秸秆为原料的生物质气化机组，气化效率达到了72――75％，燃气热值达到5MJ/Nm3。开创了我国利用低质秸秆原料为农民供应高品位生活燃气的新事业。在“七五”小试，“八五”研制的单机供应100－220户居民生活燃气的基础上，“九五”期间发展为单机供应100－500户，联机供应500户到近千户居民生活燃气的供气系统。并针对系统运行中出现的问题，对秸秆气化机组和供气系统进行了多次改进与完善，在技术水平，操作工艺，设备配置等方面都有了较大的进步。截止99年6月份，已在山东、北京、山西、湖北、江西、江苏、甘肃、黑龙江等近20个省（市）建设了100多个秸秆气化示范工程，经受了长期运行的考验，总结了运行、管理经验。编制了常压固定床生物质气化机组制造技术条件，农村生物质燃气供应系统设计规范、农村生物质燃气供应系统施工和验收规范，农村生物质燃气供应系统运行维护规范等四项山东省地方标准，于98年5月由山东省技术监督局颁布实施。1997年生物质气化集中供气技术荣获国家发明四等奖，山东省科技进步一等奖。 2、实验条件 在多年研究工作的基础上，我们逐步强化了我们的试验力量，建成了多个有代表性的试验台架，配置了基本的测试、分析仪器，并且在98年我所申报了“山东省生物气化技术重点实验室”，已获批准，山东省科学院专门为我所建造了1200m2的生物质气化实验室，已开始启用,为我们承担相关的重点课题、进行生物质气化技术的深化研究,打下了坚实的试验基础。 3、队伍建设 在多年的研究过程，我们逐步建立起了专业从事生物质气化技术研究开发的技术队伍，并已形成了生物质气化工程设计服务的综合能力和生物质气化设备制造的产业能力。人员梯次、年龄结构合理，多人参加过“七五”、“八五”、“九五”课题的研究，具有较强的科研开发能力。 4、国际交流与合作 在科研工作中，我们注重对外交流和科技合作，从发达国家获取技术支持。先后多次组团参加了可再生能源方面的国际会议，与一些著名学术单位建立了联系和合作关系，参加了中国农业部和美国能源部的可再生能源项目，与美国可再生能源实验室进行了交流，与美国BG技术公司达成了生物质气化技术合作意向，我们还与美国普林斯顿大学能源环境中心、瑞典兰德大学、荷兰特温特大学等在生物能专项技术方面进行着接触。 5、存在的不足 虽然我们在生物质气化技术方面已取得了一定的成绩，但尚有许多不尽人意之处。首先燃气中焦油的清除还不彻底，燃气中焦油含量偏高，给操作工人和用户带来一些麻烦。另外，出于降低初投资的考虑，目前设备的机械化、自动化程度偏低，有待进一步提高。 同时，燃气的热值还偏低，导致系统工程投资较大，影响到推广的速度，也影响了其应用范围的拓宽。 四、“十五”工作设想: 针对目前技术的不足，结合国内相关技术的发展趋势，我们将把以下几个方面作为我们“十五”乃至以后的研究重点。 （一）研制低焦油生物质气化机组 1．关键技术及创新点： （1）、研究生物质气化过程中焦油产生的机理，及炉内温度、加热速度、原料品种、形状等对焦油产生的影响，通过优化炉型结构、加设内部构件，实现对气化炉各反应区的控制，使之处于最优反应状态，抑制焦油的产生或将焦油裂解，产生焦油含量较低的燃气，减轻燃气后处理的负担。 （2）、针对秸秆原料密度小，流动性差，易架桥、抽空等特点，研究适宜的机械结构，实现气化炉均匀稳定的反应，减轻操作工劳动强度，并通过对燃气成份、温度、料层高度等参数的监测，实现气化过程的自动控制。 （3）、研究与之相适应的燃气净化装置，形成配套合理、运行方便、安全可靠的气化机组，使送到用户的燃气中焦油等杂质降低到国家有关城市煤气的标准以内。实现秸秆气化机组的更新换代。 2．预期达到的水平及技术经济指标 气化效率≥75％ 燃气热值≥5MJ/Nm 3 净化后燃气中焦油和灰尘含量≤10mg/Nm 3 （二）工业生物质垃圾热解气化及利用技术研究 1．关键技术、技术创新点 根据两步法气化原理， 利用热解技术燃料适应性广的优点，将品质不同、形态各异的低质生物质原料经过先热解再气化或燃烧的工艺路线，生产高品质燃气或高温烟气，用作生产或生活热源。 （1）热解反应器：研究适合低质生物质原料的热解工艺参数和工艺措施，以提高燃气品质。热解所需热量来自部分热解产物的燃烧。 （2）热解产物的再裂解和气化：在高温下将热解产物送入气化器，组织焦油再裂解和炭气化所需的高温场，并保证反应层的稳定，以获得热值较高、焦油含量较低的燃气。热解反应器和气化设备的合理组合形式，使物流连续稳定，反应条件适宜，是保证整个装置安全稳定运行的关键。 （3）热解产物的燃烧：当终产品为热烟气时，可将热解产物通过适宜的燃烧装置完全燃烧，以获得高温热烟气，其技术关键是研究合理的燃烧形式，使热解气、炭和焦油三相产物均得到良好的燃烧。 2．预期达到的水平及技术经济指标： 燃气热值： ≥8.05MJ/Nm 3 燃烧中焦油及灰尘含量： ≤20mg/Nm 3 装置终效率 ≥60％ 五、项目的社会环境效益、经济效益及推广应用前景 社会环境效益： 生物质气化技术可将废弃的秸秆、工业生物质垃圾转换为清洁的燃气，实现了低质原料的高档次利用。在农村作为炊事燃气，可使农民用上方便清洁的气体燃料，生活方式可发生重大转变，提高生活舒适文明程度，节省用于炊事的劳动量和时间，并使环境和庭院卫生有较大改观，同时气化燃气作为生活燃气或工业燃料还可节约大量的石油、煤炭等商品能源，减轻对优质商品能源的需求压力。 生物质气化技术为废弃的农作物秸秆和蔗渣、中药渣等工业垃圾的利用带来了新出路，一方面可减轻秸秆直接焚烧产生的大气污染，在已建的气化集中供气工程的村庄中，焚烧秸秆的现象已基本杜绝，另一方面，可解决蔗渣、中药渣、糠醛渣等工业垃圾堆放、挖坑填埋等造成的环境污染，从而产生较大环境效益。 经济效益： （1）直接经济效益：生物质气化技术的大力发展将会带动包括设备生产和系统建设等产业的发展，最终每年可形成年产值数十亿元的产业规模，形成新的社会经济增长点。 （2）采用生物质气化燃气作为生活能源或工业燃料，可节约大量的商品能源，如一个200户的农村，全部采用生物质燃气，经折算每年可比省柴灶节省秸秆资源200吨，替代商品能源，如煤炭190吨或液化气36吨，而且每户农民每月只需15元左右的燃气费用，比采用煤或液化气节约数十元的费用。而在造纸厂或蔗糖厂、中药厂等企业，若将企业生产过程中，产生的固体生物质垃圾通过热解气化后，作为工业燃料，一方面可替代部分商品能源，另一方面可省掉搬运垃圾的人工及运输费用，从而降低企业的生产成本，增加企业利润，为企业带来可观的经济效益。 由于生物质气化项目有着良好的社会环境和经济效益，因而有着良好的市场前景。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/10/2005)