第1期(上)劉作龍等:生物質(zhì)氣化技術(shù)和氣化爐研究進(jìn)展21·綜述與述評·生物質(zhì)氣化技術(shù)和氣化爐研究進(jìn)展劉作龍,孫培勤,孫紹暉,陳俊武(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院,河南鄭州450001)摘要:簡單介紹了生物質(zhì)氣化的基本原理及生物質(zhì)氣化爐的分類,闡逑了不同類型氣化爐的特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)。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(yīng)用情況,重點(diǎn)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(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化爐;氣化;綜述中圖分類號:TK6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003-3467(2011)01-0021-04Present Research Status and Development of Biomass GasificationTechnologies and gasifiersLIU Zuo-long, SUN Pei-qin, SUN Shao-hui, CheN Jun-wuSchool of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University 450001, China)Abstract: The basic principles and classification of biomass gasification are introduced, the characteristicsand technical indicators of different types of gasifiers are described. The technology research and applica-tion of biomas gasification in gas supply, heating supply, power generation domestic and overseas is illustrated. This paper focuses on the gasifier that can be used to large-scale biomass gasification syntheticiquid fuels. The problems that the biomass gasification technology needs to solve and the research direc-tion which the biomass gasification field at are pointed out.Key words: biomass; gasifier gasification review源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),隨著社會全燃燒使生物質(zhì)裂解,變成小分子量的CO0、H2、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類對能源的需求也越來越大。CH4等可燃性氣體,在轉(zhuǎn)換過程中要加入氣化劑大量的開采和使用化石能源會污染環(huán)境和破壞生態(tài)(空氣、氧氣或水蒸氣)。由于生物質(zhì)的特殊性質(zhì),平衡,開發(fā)和利用清潔的可再生能源已經(jīng)迫在眉睫,在氣化前還需要經(jīng)過干燥、破碎和切片等預(yù)處理過生物質(zhì)是可以轉(zhuǎn)化為液體燃料的環(huán)境友好的可再生程。經(jīng)預(yù)處理的物質(zhì)在氣化爐中約于600℃下能源,是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源發(fā)生熱解反應(yīng),生成的氣體中包括解離氣體、氣化的消費(fèi)總量第四位的能源。生物質(zhì)氣化技術(shù)是清揮發(fā)分、H2、CO、CO2焦油和水蒸氣。由于生物質(zhì)潔高效利用生物質(zhì)能的有效途徑之一,生物質(zhì)氣化中的揮發(fā)分含量(70%~80%,干基)遠(yuǎn)高于煤炭技術(shù)除了可以用于發(fā)電供氣、供熱等方面外,還可(30%),所以生物質(zhì)氣化的熱解反應(yīng)比煤炭更為重以用于將各種生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成為高品位的液體燃要。揮發(fā)分在氣相中的熱裂化反應(yīng)可降低焦油料熱解反應(yīng)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(yīng)為焦炭與氧氣蒸汽反應(yīng),生成1生物質(zhì)氣化原理H2、C算氣體土姑化的住巖燃燒為熱解反應(yīng)生物質(zhì)氣化是指將固體生物質(zhì)加熱,進(jìn)行不完提供中國煤化工CNMHG收稿日期:2010作者簡介:劉作龍(1984-),男碩士研究生;通訊作者:孫培勤(1963-),女教授電話:(0371)67781755河南化工22HENAN CHEMICAL INDUSTRY2011年第28卷廠和商業(yè)應(yīng)用規(guī)模的氣化爐(見表1)。生物質(zhì)氣化2生物質(zhì)氣化技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀領(lǐng)域處于領(lǐng)先世界水平的國家有瑞典、丹麥、奧地2.1國外生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展概況利、德國美國和加拿大等。瑞典和丹麥正在實(shí)行利生物質(zhì)氣化技術(shù)早在18世紀(jì)就已出現(xiàn)第二次用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計(jì)劃使生物質(zhì)能在轉(zhuǎn)換世界大戰(zhàn)期間,為解決石油燃料的短缺,用于內(nèi)燃機(jī)為高品位電能的同時(shí)滿足供熱的需求,可以大幅度的小型氣化裝置得到廣泛使用。20世紀(jì)五六十年提高其轉(zhuǎn)換效率。美國在利用生物質(zhì)能發(fā)電方面處代,煤炭和石油等化石能源的廣泛應(yīng)用,使能源短缺于世界領(lǐng)先地位。目前,美國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)總?cè)輪栴}得到暫時(shí)性的緩解。由于生物質(zhì)氣化技術(shù)的不量已達(dá)10500MW,70%為生物質(zhì)一煤混合燃燒氣完善和利用率低等原因,生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展和化技術(shù),單機(jī)容量30-100MW發(fā)電成本3-6美應(yīng)用產(chǎn)生了延滯。20世紀(jì)70年代,受石油危機(jī)的分/(kW·h),預(yù)計(jì)到2015年美國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)影響,世界各國再一次深該認(rèn)識到化石能源的不可總?cè)萘繉⑦_(dá)16300MW。美國在生物質(zhì)氣化合成再生性,重新開始了對生物質(zhì)能源的開發(fā)和研究乙醇方面取得了很大的成就。歐盟國家在生物質(zhì)氣經(jīng)過幾十年的發(fā)展歐美等國的生物質(zhì)氣化技化合成柴油方面取得了很大的成就。2004年歐盟術(shù)取得∫很大的成就。生物質(zhì)氣化設(shè)備規(guī)模較大,國家的生物質(zhì)氣化合成柴油的產(chǎn)量達(dá)到224萬t,德自動化程度高,工藝較復(fù)雜,主要以供熱、發(fā)電和合國是歐盟最大的生物質(zhì)氣化合成柴油生產(chǎn)國,2004成液體燃料為主,目前開發(fā)了多系列已達(dá)到示范工年的生產(chǎn)能力達(dá)到了109.7萬t。表1國外氣化爐應(yīng)用情況一覽氣化爐類型原料效率/%規(guī)模/t·d-l應(yīng)用美國 Taylor雙流化床氣化爐可降解垃圾和廢木料發(fā)電效率35~40300~400熱電聯(lián)產(chǎn)美國 Salvages雙流化床氣化爐發(fā)電效率35~40熱電聯(lián)產(chǎn)和柴油美國 Range Fuels氣流床氣化爐林業(yè)廢棄物、木材熱效率75乙醇或混合醇美國 Pearson氣流床氣化爐廢木料、鋸末、稻桿等熱效率70.5乙醇或混合醇德國 CHOREN氣流床氣化爐能源作物、木材熱效率90.5合成柴油丹麥 Carbona鼓泡流化床發(fā)電效率28100~150熱電聯(lián)產(chǎn)芬蘭mT循環(huán)流化床林業(yè)廢棄物和副產(chǎn)物合成柴油芬蘭 Foster循環(huán)流化床塑料、木材、輪胎、枕軌熱電聯(lián)產(chǎn)瑞典 CHRISGAS循環(huán)流化床木材、秸稈熱電聯(lián)產(chǎn)德國Uhde循環(huán)流化床氣化效率81燃料油加拿大 Plasco等離子體氣化爐MSW、塑料熱效率75發(fā)電美 InEnTec等離子體氣化爐輪胎爐渣醫(yī)療廢物218熱電聯(lián)產(chǎn)氡氣、甲醇和乙醇2.2我國生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展概況戶用、集中供氣和供熱等方面取得了一定的環(huán)保和我國對生物質(zhì)氣化研究起步較晚始于20世紀(jì)經(jīng)濟(jì)效益。生物質(zhì)氣化發(fā)電方面:80年代初期,我80年代。經(jīng)過近30年的努力我國生物質(zhì)氣化技術(shù)國自主研制了由固定床氣化器和內(nèi)燃機(jī)組成的200取得了較大的進(jìn)步,我國自行研制的集中供氣、發(fā)kW稻殼發(fā)電機(jī)組并得到推廣;中國農(nóng)機(jī)院、中國林電、戶用氣化爐等產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)用化試驗(yàn)及示范階科院分別在河北、安徽建立了400kW氣化發(fā)電機(jī)段形成了多個(gè)系列的氣化爐(如下頁表2所示),組3;勝利油田動力機(jī)械有限公司成功研制了功可滿足多種物料的氣化要求,在生活用能發(fā)電供率190kW的180F-RFm型秸稈氣發(fā)電機(jī)組”;暖等領(lǐng)域得到應(yīng)用。但其容量多是小型的大容量廣州能源所以木屑和木粉為原料應(yīng)用循環(huán)流化床氣的氣化設(shè)備仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。在供氣、供暖化技中國煤化工氣化發(fā)電系統(tǒng)的方面:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院研制的ND系列和錐開發(fā)CNMHG也取得一定成就形流化床、山東科學(xué)院能源研究所研制的XFL系廣州能配所已成力餅制」管成宋油中試裝置和年產(chǎn)列、廣州能源所研制的的CSQ系列固定床氣化爐在百噸級生物質(zhì)氣化合成DME的中試裝置。第1期(上)劉作龍等:生物質(zhì)氣化技術(shù)和氣化爐研究進(jìn)展表2國內(nèi)生物質(zhì)典型氣化爐情況一覽氣化效率熱值氣化爐類型規(guī)模應(yīng)用研究單位上吸式GSQ-100755.01080~2630MJh供熱中科院廣州能源所下吸式ND系列65~754.8~6.1500-650M/h供熱中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院下吸式HQHD-2804.5~5.010m3/h戶用氣化中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院下吸式XFL100~500戶集中供氣山東能源研究所熱箐式氣化爐8.0~10.0熱電聯(lián)產(chǎn)南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院LZ干餾熱解氣化爐28.814.01000戶集中供氣大連市環(huán)科設(shè)計(jì)研究院GB-210W-22000型干餾氣化熱解氣化爐10040U/d城市生活垃圾處理上海萬強(qiáng)科技開發(fā)有限公司錐形流化床氣化爐67.54.0-6.03 MW中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工供電供氣供熱業(yè)研究所下吸式固定床氣化爐755.5-6.50.05MW發(fā)電遼寧市能源所流化床氣化爐中科院廣州能源所3.3氣流床氣化爐(EF)3氣化爐發(fā)展現(xiàn)狀已被粉碎的原料和被加壓的氣化劑(氧氣或水氣化爐是生物質(zhì)氣化系統(tǒng)中的核心設(shè)備,生物蒸氣)從塔頂同時(shí)進(jìn)入氣化爐。塔頂部的湍流火焰質(zhì)在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)生成合成氣。生物質(zhì)燃燒部分原料為整個(gè)氣化過程提供足夠的熱量,氣氣化爐可以分為固定床氣化爐、流化床氣化爐氣流化爐內(nèi)的溫度達(dá)到1300℃。氣流床的特點(diǎn):合成床氣化爐(EF)及等離子體氣化爐( Plasma)等類型。氣出爐的溫度可達(dá)1300℃,大部分焦油可在半焦3.1固定床氣化爐氣化過程中裂化,出爐的合成氣中幾乎不含焦油;氣固定床氣化爐中氣化反應(yīng)是在一個(gè)相對靜止的化爐壁上的灰融物可當(dāng)作熔渣除去-1。物料床層中進(jìn)行,即物料相對于氣流來說,是處于靜3.4等離子體氣化爐止?fàn)顟B(tài)。物料在爐內(nèi)基本上是有層次的分為四個(gè)階原料從塔頂進(jìn)入氣化爐,接觸到常壓、溫度為段,即干燥階段、熱解階段、燃燒階段、還原階段。固500-1500℃的由電生成的等離子體后原料中有定床氣化爐的爐內(nèi)反應(yīng)速度較慢。根據(jù)爐內(nèi)氣化劑機(jī)物轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的合成氣,無機(jī)物變成玻璃化的的流動方向,可將固定床氣化爐分為四類2:上惰性熔渣。這種爐的氣化效率很高得到不含焦油吸式、下吸式橫吸式和開心式。固定床氣化爐的優(yōu)的合成氣。等離子弧也可以用于凈化合成氣。點(diǎn):氣化爐結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運(yùn)行可靠操作比較容氣化爐是氣化過程的最關(guān)鍵設(shè)備,選擇用于生易,對原料的種類及粒度要求不高。缺點(diǎn):固定床氣產(chǎn)液體燃料的生物質(zhì)氣化爐時(shí)需要從五個(gè)方面進(jìn)行化爐通常產(chǎn)氣量比較小,多用于小型氣化站、小型熱考慮:對原料的要求生產(chǎn)合成氣的質(zhì)量研發(fā)狀態(tài)電聯(lián)產(chǎn)或戶用供氣,不適合大規(guī)模的生產(chǎn)和操作經(jīng)驗(yàn)、規(guī)模放大的潛力、成本。綜合分析可用3.2流化床氣化爐于合成液體燃料氣化爐的性能比較如下頁表3所顆粒狀的物料被送入爐內(nèi),并摻有精選的惰性。常用的生物質(zhì)大規(guī)模氣化制合成氣的氣化爐主材料(砂子和橄欖石等)作為流化床材料,在爐體底要有BCL( battelle雙流化床氣化爐和mG( Institut部以較大壓力通入氣化劑使?fàn)t內(nèi)呈沸騰、鼓泡等不 of Gas Technology)鼓泡流化床氣化爐,還有同狀態(tài)物料和氣化劑允分接觸發(fā)生氣化反應(yīng)。按 CHOREN公司新開發(fā)的Cabo-V氣流床氣化氣化爐結(jié)構(gòu)和氣化過程,可將流化床氣化爐分為鼓爐。泡流化床(BFB)、循環(huán)流化床(CFB)及雙流化床BCL氣化爐是常壓間接加熱的雙流化床氣(Da)(各氣化爐的技術(shù)指標(biāo)見下頁表3)1l流化好V凵中國煤化工氣化爐由流化床化床氣化爐的優(yōu)點(diǎn):溫度穩(wěn)定均勻:使用燃料顆粒很氣化CNMHG經(jīng)過干燥的生物質(zhì)細(xì)小,傳熱面積大;氣化效率高適用于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)適原料從氣化反應(yīng)器下部進(jìn)入,從底部通入蒸汽作氣合大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用化介質(zhì)蒸汽與木材比(質(zhì)量比)為0.4使用合成河南化工24HENAN CHEMICAL INDUSTRY2011年第28卷表3各種氣化爐技術(shù)指標(biāo)的比較類型原料要求合成氣質(zhì)量發(fā)展現(xiàn)狀規(guī)模放大潛力成本粒徑<1mm,含水量菲常低的CH,C:若灰規(guī)模B裝置有建成非常大的氣花亥率高,若減<15%,低灰分和焦油含量,高含量建設(shè)的經(jīng)驗(yàn),大量的氣化爐和工廠的少昂貴的預(yù)處理H2 CO工業(yè)實(shí)踐可能性費(fèi)用,價(jià)格降低粒徑50-150mm,含存在C、焦油,吹氧過去用于產(chǎn)熱和發(fā)可能較高的氣化水林10%-51灰時(shí),高含量H1、CO,電中度的放大,有有很多大的工程爐投資和低的效分敏感有顆粒物應(yīng)用的潛力計(jì)劃CFB★★★★★★量5%-69%,灰分時(shí)高含量H、CO,方面研發(fā)經(jīng)驗(yàn),很少有很多大的工程可能較高的氣化有顆粒物的BL方面研發(fā)計(jì)劃Dual★★★粒徑<75mm,含水存在C2焦油高H2很少和小型的研發(fā),有一些工程計(jì)劃,潛在較低的合成量10%~50%,灰分含量,高含量CH4,發(fā)展初期,近期才有只是中等規(guī)模氣生產(chǎn)成本有顆粒物BL應(yīng)用的潛力Plasma★★★★無特殊要求沒有C1C和焦有些開發(fā)和許多中小模的非常高的投資,低油,高含量H2和CO發(fā)電方面的應(yīng)用注:對每個(gè)類型各項(xiàng)性能進(jìn)行比較時(shí):★最差,★★★★最好。橄欖石作為流化介質(zhì)和熱載體在氣化反應(yīng)器和半焦燃燒器之間循環(huán)4結(jié)束語ICT氣化爐1是吹氧式、高壓鼓泡流化床氣化經(jīng)過了30年的研究和開發(fā),我國的生物質(zhì)氣化爐,因反應(yīng)氣體中含氧高,燃燒部分生物質(zhì)提供熱技術(shù)在集中供氣、供熱發(fā)電方面進(jìn)入到示范應(yīng)用研量不需另加入能量;如果改用空氣送氧,生成氣中究階段,并探索了生物質(zhì)氣化合成液體燃料、制氫的還含一定量的氮?dú)?。IGT壓力氣化爐在提高蒸汽用技術(shù);但是和歐美等發(fā)達(dá)國家相比我國的氣化技術(shù)量后可按“最大氫氣量”模式操作,CT壓力氣化爐還有很大的差距。在氣化技術(shù)方面還存在許多問生產(chǎn)的合成氣含CO2較高(30%-35%,干基)。合題:規(guī)模小氣化效率低、合成氣熱值低焦油含量較成氣中的甲烷組分可經(jīng)過重整生成氫氣,也可直接高、經(jīng)濟(jì)效率低等問題。生物質(zhì)氣化技術(shù)需要解決用作透平燃料;生成氣的H2/CO=1.4/1。的關(guān)鍵技術(shù)問題及未來發(fā)展方向主要包括:大力開Carbo -V4氣流床氣化爐經(jīng)過預(yù)處理的生物發(fā)氣化效率高、產(chǎn)氣熱值高的氣化爐技術(shù);開發(fā)新的質(zhì)原料首先在回轉(zhuǎn)式氣化爐中進(jìn)行低溫氣化,生成焦油脫除技術(shù),降低合成氣中的焦油含量;流化可燃?xì)夂徒固拷M分。含焦油的可燃?xì)怏w經(jīng)過燒嘴進(jìn)床氣化爐具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和放大的潛力流化人 Carbo-Ⅴ高溫氣化爐,從爐頂送人預(yù)熱的空氣床氣化爐技術(shù)為我國今后生物質(zhì)氣化研究的主要方氧氣。低溫氣化生成的焦炭也送入Cabo-V高溫向;開發(fā)規(guī)模較大的流化床氣化爐技術(shù),為以后大規(guī)氣化爐中部,最終生成不含焦油的合成氣。CatbV氣化爐的優(yōu)點(diǎn):合成氣中不含焦油,無需采用催化模的生物質(zhì)氣化合成液體燃料提供基礎(chǔ)參考文獻(xiàn):凈化處理;氣化效率較高,達(dá)到80%以上;合成氣可用作發(fā)電燃料發(fā)電效率可達(dá)40%;原料來源廣泛,[1]周中仁,吳文良生物質(zhì)能研究現(xiàn)狀及展望[]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21:12-15可加工各種干燥后的含碳原料;可將灰分轉(zhuǎn)化為適(2) Want K W. Status of biomass gasification in countrie用于建筑材料的熔渣顆粒;合成氣中的氫含量高,每千克原料產(chǎn)氫1.2m3。2008年在德國建立了年產(chǎn)中國煤化工Tak3J. Biomass合成柴油1500的商業(yè)工廠,我國也在2008年9引3]CNMH飄叩聊,丁,形流化床生物質(zhì)氣化進(jìn)該技術(shù)建立了以煤為原料的25000MW的發(fā)電技術(shù)和工程[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),200,22(1):21l第I期(上)李娟等:甲醇下游產(chǎn)品的開發(fā)和利用甲醇下游產(chǎn)品的開發(fā)和利用李娟,張錫蘭,郭泉輝(河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院催化過程工程實(shí)驗(yàn)室,河南開封475004摘要:列舉了近年來甲醇下游產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用情況,并根據(jù)河南省的實(shí)際情況,提出了甲醇下游產(chǎn)品綜合開發(fā)和利用的一些建議關(guān)鍵詞:甲醇;下游產(chǎn)品;開發(fā);利用中圖分類號:TQ223.12文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003-3467(2011)01-0025-04Development and Application of Methanol Following ProductsLI Juan, ZHANG Xi-lan, GUO Quan-huiversity, Kaifeng 475004, China)Abstract: The development and application of following products of methanol are mentioned. Some sugges-tions of comprehensive explotation and utlization of methanol are given on the basis of the specific realityof Henan ProvinceKey words: methanol following producti development; application[4]張穎歐美國家生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展思路對我國的laboratory richland[C], WA, 2006.9啟示[J].管理縱橫,2010,(3):10-11[14]陳俊武,李春年,陳香生,石油替代綜論[M].北京[5] Review of Technologies for Gasification of Biomass and中國石化出版社,2009,Wastes Final report NNFCC project 09/008. A project [15] A vander Drift, H Boerrigter, B Coda, et al. Entrainedfunded by DECC, project managed by NNFCC and con-flow gasification of biomass[ C]. ECN-C-04-039ducted by EATech[ C], 2009. 92004.4.[6]鄧先倫,高一葦,許玉,等生物質(zhì)氣化與設(shè)備的研[16] Matthias R. Biomass to liquids(BTL) from the Carbo-V究進(jìn)展[J].生物質(zhì)化學(xué)工程,2007,41(6):37-41process: technology and latest development, 2nd word[7]陽永富,申青連,段繼宏,等.生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)onference and exhibition[C]. Rome, Italy, 2004.5J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置,2006,、(4):48-52[17]S Phillips, A Aden, J Jechura, et al. 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