·農(nóng)村新能源新疆農(nóng)機化2007年第3期生物質(zhì)氣化及氣化爐的研究進展李鵬,王維新,吳杰,李霞,楊斌(石河子大學機械電氣工程學院新疆石河子832000摘要:生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)能源應用領域研究的熱門。該文對生物質(zhì)氣化原理、國內(nèi)外氣化及其裝置研究現(xiàn)狀、發(fā)展前景進行了闌逑,同時提出了進行進一步氣化研究的建議。關鍵詞:生物質(zhì);氣化;氣化爐;研究進展中圖分類號:S216文獻標識碼:A2H2O+C=CO2+2H2-75.24kJ文章編號:1007-7782(2007)03-0046-03120+C0=C0+H243.58kJ生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于氣化裝置運行穩(wěn)定時:當一定粒度的生物質(zhì)原世界能源消費總量第四位的能源嗎,目前世界能源料進入氣化裝置后首先被干燥,隨著料層的下落,伴隨溫度的升高,析出揮發(fā)分,并在高溫下裂解(熱緊缺,石化能源儲量有限,亟待開發(fā)新能源,實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展。然而人類對生物質(zhì)能開發(fā)仍停留在解)。裂解后的氣體和炭在氧化區(qū)與供入的氣化介質(zhì)(空氣、氧氣、水蒸汽等)發(fā)生氧化反應并燃燒,燃燒較低水平,其取暖利用方式主要是原始的直接燃燒利用率和熱效率都很低,嚴重污染環(huán)境。生物質(zhì)氣放出的熱量用于維持干燥、熱解和還原反應。氧化后的氣體含有一些不可燃氣體,如:CO2、H2O等,經(jīng)還化技術使秸稈充分燃燒,提高其生物質(zhì)利用潛能,改原反應減少其含量。最終生成了含有一定量的CO、善低效高耗的能源利用現(xiàn)狀,節(jié)約大量不可再生的H2、CH及部分不飽和烴CH的混合氣體,凈化后媒石油天然氣資源。一些國家的生物質(zhì)能技術即可燃用業(yè)經(jīng)營。在我國,各種生物質(zhì)氣化裝置和生物質(zhì)燃氣2生物質(zhì)氣化技術及氣化裝置的研究現(xiàn)狀發(fā)電機組相繼研制成功,生物質(zhì)固定床熱解氣化已熱解氣化技術最早出現(xiàn)于18世紀晚期,1839發(fā)展到農(nóng)村級規(guī)模的集中供氣,并且追求中熱值燃年第一臺氣化爐—上吸式氣化爐問世,但較大規(guī)氣的流化床氣化裝置的研究已取得初步成果。但生模應用生物質(zhì)熱解氣化技術,則始于20世紀3040物質(zhì)氣化率和生物質(zhì)能利用率還有待進一步提高。年代。第二次世界大戰(zhàn)期間,為解決石油燃料的短1生物質(zhì)氣化的基本原理缺,用于內(nèi)燃機的小型氣化裝置得到廣泛使用。從生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)能高品位利用的一種主要70年代初開始,受石油危機影響這一技術有了新的發(fā)展。隨后瑞典、美國、意大利和德國及我國部分技術,通過氣化裝置將生物質(zhì)原料的能量進行轉(zhuǎn)換過程,可以將固態(tài)生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)換成使用方便而且科研院校先后開展了相關研究。目前,國內(nèi)外正在研究和開發(fā)的生物質(zhì)氣化設清潔的高品位的可燃氣體。在氣化過程中燃料基本備主要有以下三種類型:上要經(jīng)過氧化、還原裂解(熱解)和干燥四個階段其(1)固定床上吸式氣主要的反應式為嗎化爐。其基本結(jié)構(gòu)和反應氧化階段C+O2=CO2+408.84kJ過程如圖1。物料由爐頂2C+O2=2C0+24644kJ加料口加入爐內(nèi),氣化劑還原階段C+CO2=2CO-16241kJ由爐體底部的進風口進、流化床材料H,0+C=CO+Hx-118.82kJ入體內(nèi)中國煤化工∷收稿日期:2007-01-29基金項目:新疆生產(chǎn)建設兵團高新技術研究發(fā)展計劃項下卩CNMHG I I力通風目(200613);石河于大學科學基金項目(ZRKX2005028)部的可燃氣出口排出。其圖1固定床上吸式氣化爐2007年第3期新疆農(nóng)機化農(nóng)村新能源優(yōu)點是:可燃氣經(jīng)過熱分解層和干燥層時將熱量傳拿大通用燃料氣化裝置有限公司( Omnifuel Gasifica-遞給物料,自身溫度降低,爐子熱效率高;可燃氣熱 tion System Limitred設計制造的流化床氣化裝置值較高;熱分解層和干燥層對可燃氣有過濾作用,使美國標準固體燃料公司( Standard Solid Fuels In)設出爐的可燃氣灰分少。缺點是:添料不方便;可燃氣計制造的炭化氣化木煤氣發(fā)生系統(tǒng)、德國茵貝爾特中焦油、蒸汽含量較多。能源公司( Imbert Energietechnik GMBH設計制造(2)固定床下吸式氣化爐。圖2為其基本結(jié)構(gòu)的下行式氣化爐-內(nèi)燃機發(fā)電機組系統(tǒng)等等,氣化和氣化反應示意圖。物料由效率可達60%-90%,可燃氣熱值為(17~25)×10爐頂加料口加人爐內(nèi),氣化可燃氣kJ/m3美國近年來在生物質(zhì)熱解氣化技術方面有所劑由爐體上部進入爐內(nèi),部于爆層突破,研制出了生物質(zhì)綜合氣化裝置-燃氣輪機發(fā)分氣化劑也可隨物料一起分解電系統(tǒng)成套設備,為大規(guī)模發(fā)電提供了樣板。進入爐膛,爐內(nèi)料層自上而國外生物質(zhì)氣化應用情況主要為:生物質(zhì)氣化下為干燥層、熱分解層、氧發(fā)電;生物質(zhì)燃氣區(qū)域供熱;水泥廠供燃與發(fā)電并用化層和還原層,最終可燃氣的生物質(zhì)氣化站;生物質(zhì)氣化合成甲醇;生物質(zhì)氣化由爐體下部側(cè)壁排出。其優(yōu)圖2固定床下吸式氣化爐合成氨網(wǎng)點是高溫區(qū)的溫度穩(wěn)定效應使工作穩(wěn)定,產(chǎn)出氣成與此同時,為滿足發(fā)展中國家農(nóng)村用能的需要,分相對穩(wěn)定;可隨時開蓋添料;焦油通過高溫區(qū)被裂些國家也研究了小型氣化設備。日本的 Jun Sakai解,因此出爐的可燃氣中焦油較少。其缺點是:可燃等人于70年代設計了一臺小型木炭煤氣裝置用于氣的流向與熱流方向相反,引風機的功耗要求大;出開動44kW的汽油機并取得了成功類似的裝置在爐的可燃氣含灰分較多;出爐可燃氣溫度高需冷卻,菲律賓的 Central Luzon大學(1977),美國密執(zhí)安州爐內(nèi)熱效率較低。立大學(1978)和泰國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)工程局(1980)相繼(3)流化床氣化爐,圖3為單流化床氣化爐的研制成功并逐步走向?qū)嵱没瘑?。目?由 Thomas結(jié)構(gòu)及氣化反應示意圖。顆粒料,空氣Reed和 Ron larson設計的木材增壓家用炊事氣化狀的物料被攪龍送入爐內(nèi),常爐,適用于小木塊為原料,C排放量低,安全方便,摻有精選的惰性材料砂子做宜于家用炊事。印度科學研究所研制的ISc小型氣為流化床材料,在爐體底部以然芬解化爐,用木塊和團狀垃圾作為燃料,輸出熱功率3-4較大壓力通入氣化劑,使爐內(nèi)kW,一次加料在爐內(nèi)可以連續(xù)反應2h,進一步降低呈沸騰、鼓泡等不同狀態(tài)。通尷氣了煙塵排放量。 UTin Win設計的稻殼戶用氣化爐對過物料和氣化劑充分接觸發(fā)稻殼進行高效無煙燃燒,并且,諸如土豆皮、菜葉新生氣化反應。流化床氣化爐其圖3單流化床氣化爐鮮生物質(zhì)等廚房垃圾切碎均可以和稻殼一起參與氣優(yōu)點是物料反應溫度均勻,氣化反應嗎?；磻?產(chǎn)氣率高;爐內(nèi)溫度高而穩(wěn)定,故可燃氣22國內(nèi)生物質(zhì)氣化技術現(xiàn)狀中焦油含量較少;可燃氣熱值較高;生產(chǎn)能力大。其從20世紀80年代初開始,我國生物質(zhì)氣化技缺點是:可燃氣中灰分含量較多;結(jié)構(gòu)比較復雜;原術一直受到政府和科技人員的重視,“七五”和“八料主要是木屑、稻殼等顆粒度較小、流化性能較好的五”期間取得了較大進展。我國自行研制的集中供氣物料。系統(tǒng)已進入實用化試驗及示范階段,山東能源研究21國外生物質(zhì)氣化技術現(xiàn)狀所研制的XFF系列秸稈氣化爐在農(nóng)村集中供氣應國外生物質(zhì)氣化領域處于領先水平的國家有瑞用中獲得了一定的社會、經(jīng)濟效益;大連市環(huán)境科學典、美國、意大利德國等。目前國外生物質(zhì)氣化裝設計研穸院用研制的I系列牛物質(zhì)干餾熱解氣化置一般規(guī)模較大,自動化程度高,工藝較復雜,以發(fā)裝置中國煤化工舌用燃氣的生物質(zhì)電和供熱為主,如加拿大摩爾公司( Moore Canada熱解CNMHGLd)設計和發(fā)展的固定床濕式上行式氣化裝置、加然而,目前的集中供氣系統(tǒng)普遍存在著所謂的·農(nóng)村新能源·新疆農(nóng)機化007年第3期“大馬拉小車”問題即許多氣化工程欠戶現(xiàn)象嚴重,發(fā)展規(guī)劃生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術發(fā)展方向是改進和完達不到設計要求的戶數(shù),使生物質(zhì)氣化設備的利用善生物質(zhì)氣化供氣技術嗎。氣化技術研究工作已經(jīng)率降低,并且焦油問題難以根絕致使大型輸氣管網(wǎng)進行到一定高度,通過改善氣化條件,優(yōu)化爐型結(jié)易堵塞拆卸和清洗不便,氣化站運營和維護成本及構(gòu),均可以適當改善燃氣質(zhì)量。但生物質(zhì)氣化供氣難度都很高嗎,燃氣的熱值和氣化強度依然偏低,不技術存在的兩大主要難點問題:燃氣熱值低(2.86能充分滿足用戶使用要求。導致大部分氣化站開工10kJ/m3)和焦油含量高,還需進一步的研究。率低,基本處于停產(chǎn)和半停產(chǎn)狀況(1)對于大型集中供氣系統(tǒng),在現(xiàn)有示范技術我國小型氣化爐的研究開發(fā)也在逐步發(fā)展,形的基礎上,為提高生物質(zhì)的利用率收集生物質(zhì)焦成了多個系列的爐型,可滿足多種物料的氣化要求,油,利用現(xiàn)有技術制作瀝青等之類的化工物質(zhì)。在生產(chǎn)、生活用能、發(fā)電、干燥、供暖等領域得到利(2)對于戶用型氣化爐,因生產(chǎn)量小,焦油不易用。如中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院研制的ND系列收集應繼續(xù)尋求爐型關鍵部件和氣化條件等的最生物質(zhì)氣化爐,用氣化產(chǎn)出氣烘干農(nóng)林產(chǎn)品,設備簡優(yōu)組合,力求降低產(chǎn)出粗氣中的焦油含量簡化后續(xù)單,投資少熱效率高對于小型企業(yè)及個體戶有使燃氣凈化系統(tǒng)降低短距離輸氣管道堵塞的發(fā)生率用價值,其中ND-600型氣化爐已進行較長時間的另外,建議戶用型氣化爐向爐灶一體化發(fā)展,以滿足生產(chǎn)運行,取得了一定效益;中科院廣州能源所對不同環(huán)境下用戶使用降低使用要求。上吸式生物質(zhì)氣化爐的氣化原理、物料反應性能作參考文獻:了大量試驗研制出CSQ型氣化爐;云南省研制的0]周中仁,吳文良生物質(zhì)能研究現(xiàn)狀及展望1農(nóng)業(yè)工程QL50、60型戶用生物質(zhì)氣化爐已通過技術鑒定并學報,2005,21:12-15在農(nóng)村進行試驗示范。我國一些典型的生物質(zhì)氣化2蔡憲杰,張百良生物質(zhì)氣化供氣技術的發(fā)展與分析河南農(nóng)業(yè)大學學報,200,(1):70-73爐如下表1。[5]邱鐘明,陳礪生物質(zhì)氣化技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]表1我國生物質(zhì)氣化爐的典型發(fā)展概況可再生能源,2002,104(4),16-19型型號熱輸出(如h)用途研究單位4]馬隆龍吳創(chuàng)之,孫立生物質(zhì)氣化技術及其應用[M]北上吸式0Q-100091263x0生產(chǎn)供熱廠州能漂所京:化學工業(yè)出版社,20016x105鍋爐供熱廣州能源所下吸式ND600627x103木材烘干中國農(nóng)機院[3]徐慶賢,謝建,張無敵等云南省生物質(zhì)氣化技術研究現(xiàn)QFF-1001.25x109氣化供氣山東能源所狀[J].可再生能源,2004,(4):66-68QFF-200025×10氣化供氣山東能源所7唐春福,王瑩任永志等各種生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)HQ/HD-280B 12x10-爐用炊事中國農(nóng)機院層式下吸式576x105發(fā)電原商業(yè)部的技術特點[J可再生能源,2003,(5):24-22.16×10發(fā)電江蘇省糧食局6]吳創(chuàng)之生物質(zhì)氣化發(fā)電技術講座(2)生物質(zhì)氣化工藝的循環(huán)流化床1316×10生產(chǎn)供熱廣州能源所設計與選用[可再生能源,2003,108.(2):51-52.92x10技術試驗中科院化冶所9鐘浩謝建楊宗濤等生物質(zhì)熱解氣化技術研究現(xiàn)狀及其中熱值氣化爐067×103氣化供氣廣州能源所發(fā)展[云南師范大學學報,2001,21(1)3生物質(zhì)氣化技術發(fā)展前景[8]田成民我國生物質(zhì)氣化技術研究概況[]化工時刊,美國科學院在《1985-2010年的能源轉(zhuǎn)變》報告2004,18(12):199劉國喜,莊新姝尹天佑等生物質(zhì)氣化技術講座(六)國外中明確指出:到2010年,大規(guī)模生物質(zhì)轉(zhuǎn)化所獲得生物質(zhì)氣化技術的應用[J]農(nóng)村能源,2000,(4):12-14的能量將是1985年能源總需求的20倍生物質(zhì)動[10孫健以木薯莖稈為原料的生物質(zhì)氣化系統(tǒng)實驗研究力工業(yè)將成為美國僅次于水電的第二大可再生能源D廣州:華南理工大學,200工業(yè)。瑞典、意大利、德國及歐盟各國政府都在加大1 I S.C. Bhattacharya and M. Augustus Leon, Prospects for力度投資生物質(zhì)氣化技術的開發(fā)。從“七五”開始, iomass gasifiers for cooking applications in asia[J]. Thailand重點安排了秸稈氣化集中供氣技術的科技攻關和試Asian Institute of Technology 2005: 3-8[2中國煤化“質(zhì)氣化機關鍵設計點示范項目。生物質(zhì)氣化技術已進入了國家“863”技術(14)和“十五”攻關項目。CNMHG與探討]工業(yè)鍋根據(jù)20002015年新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)爐,200,85(3)21-23