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王建楠，胡志超，彭寶良，王海鷗，曹士峰
（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）
摘要：介紹了我國生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及生物質(zhì)氣化供氣、發(fā)電的基本工藝流程。同時，在簡述生物質(zhì)氣化的概念及其轉(zhuǎn)化方式基礎(chǔ)上，著重論述了生物質(zhì)氣化技術(shù)在國內(nèi)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對生物質(zhì)氣化技術(shù)所需要的關(guān)鍵技術(shù)裝備及原理等以圖示出。
0引言
能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟的基本支撐。我國是能源消費大國，當(dāng)前能源供應(yīng)主要依靠煤炭、石油和天然氣等化石能源，而化石能源資源的有限性及其開發(fā)利用過程對環(huán)境生態(tài)造成的巨大壓力，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。同時，我國又是一個農(nóng)業(yè)大國，每年有大量的農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)品和能源作物等植物生物質(zhì)產(chǎn)生。而生物質(zhì)氣化技術(shù)正是以植物生物質(zhì)為原料，采用熱解法及熱化學(xué)氧化法在缺氧條件下加熱，使其發(fā)生復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化過程，在反應(yīng)條件下按照化學(xué)鍵的成鍵原理，變成一氧化碳、甲烷、氫氣等可燃性氣體的分子。最終利用這些氣體進行集中供氣、發(fā)電，從而可在某些情況下替代現(xiàn)有的煤電以及天然氣。其不僅減輕了因焚燒秸稈而對環(huán)境造成的污染，而且提高了秸稈的利用效果，并為能源的可持續(xù)發(fā)展提出了有效途徑。
農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能不僅具有可永續(xù)利用，具有環(huán)境友好和可再生雙重屬性，而且發(fā)展農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)，突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的局限，利用農(nóng)產(chǎn)品及其廢棄物生產(chǎn)新型能源，拓展了農(nóng)產(chǎn)品的原料用途和加工途徑，提升產(chǎn)品的附加值和市場競爭力，有利于轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)增長方式，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，延伸農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條，提高農(nóng)業(yè)效益，拓展農(nóng)村剩余勞動力轉(zhuǎn)移空間，在促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、增加農(nóng)民收入等方面大有可為。因此，生物質(zhì)氣化技術(shù)已成為我國能源及農(nóng)業(yè)研發(fā)領(lǐng)域的一個熱點內(nèi)容。
1生物質(zhì)氣化原理
生物質(zhì)氣化技術(shù)是一種熱化學(xué)處理技術(shù)，通過氣化爐將固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為使用方便而且清潔的可燃?xì)怏w，用作燃料或生產(chǎn)動力。其基本原理是將生物質(zhì)原料加熱，生物質(zhì)原料進入氣化爐后被干燥，伴隨著溫度的升高，析出揮發(fā)物，并在高溫下裂解（熱解）；熱解后的氣體和炭在氣化爐的氧化區(qū)與供入的氣化介質(zhì)（空氣、氧氣、水蒸氣等）發(fā)生氧化反應(yīng)并燃燒；燃燒放出的熱量用于維持干燥、熱解和還原反應(yīng)，最終生成了含有一定量CO，H2，CH4，CnHm的混合氣體，去除焦油、雜質(zhì)后即可燃用或者發(fā)電[1]。生物質(zhì)氣化原理如圖1所示。
2我國生物質(zhì)氣化技術(shù)概況
我國生物質(zhì)氣化技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代初期，至今已開展了生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)以及裝置的研究和開發(fā)，形成了生物質(zhì)氣化集中供氣、燃?xì)忮仩t供熱、內(nèi)燃機發(fā)電等技術(shù)，把農(nóng)林廢棄物、工業(yè)廢棄物等生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換為高效能的煤氣、電能或蒸汽，提高生物質(zhì)能源的利用效率，實現(xiàn)以生物質(zhì)替代氣、油和煤的新型能源[2]。生物質(zhì)氣化集中供氣即將生物質(zhì)氣化爐產(chǎn)生的氣體通過凈化除焦、除塵后通過用戶管網(wǎng)送至用戶以實現(xiàn)供暖、供熱、供電。生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。
我國通過消化吸收國外先進技術(shù)與自主創(chuàng)新并舉，目前已研制出集中供氣和戶用氣化設(shè)備，形成了多個系列氣化爐產(chǎn)品，已進入實用化試驗及示范階段，可滿足多種物料的氣化要求，在生產(chǎn)、生活用能和發(fā)電、干燥、供暖等領(lǐng)域得到了一定利用。國內(nèi)中科院廣州能源所、山東能源研究所、大連市環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院及中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院作為國內(nèi)的生物質(zhì)氣化早期研究機構(gòu)，相繼研發(fā)了以下產(chǎn)品：中科院廣州能源所對上吸式生物質(zhì)氣化爐的氣化原理、物料反應(yīng)性能進行了大量試驗，研制出GSQ型氣化爐；山東能源研究所研制的XFL系列秸稈氣化爐在農(nóng)村集中供氣中得到了一定的應(yīng)用；大連市環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院研制Lz系列生物質(zhì)餾熱解氣化裝置建成了可供1000戶農(nóng)民生活用燃?xì)獾纳镔|(zhì)熱解加工廠；中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院研制的ND系列生物質(zhì)氣化爐，其中ND－600型氣化爐已在生產(chǎn)中得到了一定應(yīng)用，并取得了一定的效益；云南省研制的QL－50和QL－60型戶用生物質(zhì)氣化爐已通過技術(shù)鑒定并在農(nóng)村進行試驗示范。
在我國生物質(zhì)氣化技術(shù)不僅在集中供氣方面有應(yīng)用，科研單位又將生物質(zhì)氣化技術(shù)進行衍生，利用生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)電，并且取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益[3]。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理，是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)猓倮每扇細(xì)馔苿尤細(xì)獍l(fā)電設(shè)備進行發(fā)電。氣化發(fā)電過程主要包括3個方面：一是生物質(zhì)氣化，在氣化爐中把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來的燃?xì)舛己幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的正常運行；三是燃?xì)獍l(fā)電，利用燃?xì)廨啓C或燃?xì)鈨?nèi)燃機進行發(fā)電，有的工藝為了提高發(fā)電效率，發(fā)電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機[4]，典型的系統(tǒng)如圖3所示。
生物質(zhì)燃燒發(fā)電是將生物質(zhì)與過量的空氣在鍋爐中燃燒，產(chǎn)生的熱煙氣和鍋爐的熱交換部件換熱，產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽在燃?xì)廨啓C中膨脹做功發(fā)出電能。生物質(zhì)燃燒發(fā)電的技術(shù)已基本成熟，已進入推廣應(yīng)用階段，這種技術(shù)在大規(guī)模下效率較高，單位投資也較合理，但它要求生物質(zhì)集中，數(shù)量巨大[5]。
我國有著良好的生物質(zhì)氣化發(fā)電基礎(chǔ)，在20世紀(jì)60年代就開發(fā)了60kW的谷殼氣化發(fā)電系統(tǒng)，目前160～200kW的生物質(zhì)氣化發(fā)電設(shè)備在我國已得到小規(guī)模應(yīng)用，顯示出一定的經(jīng)濟效益[6]。遼寧省能源研究所于2006年6月在意大利建成的流化床生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)，采用木屑或稻殼為原料，發(fā)電量160kW；江蘇吳江縣生產(chǎn)的稻殼氣化爐，利用碾米廠下腳料驅(qū)動發(fā)電機組，功率可達160kW，已進入示范應(yīng)用階段；MW級的中型BGPG系統(tǒng)也已在近些年研究開發(fā)出來，1998年10月中科院廣州能源所完成1MW級的生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化—內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)（GIEC），5臺200kW發(fā)電機組并聯(lián)工作，由于受氣化效率與內(nèi)燃機效率限制，效率低于18%，單位電量生物質(zhì)消耗量一般大于112kg/（kW·h）。在此基礎(chǔ)上中國科學(xué)院廣州能源研究所還在海南三亞建成了國內(nèi)首個生物質(zhì)木屑?xì)饣l(fā)電廠并于2000年下半年投入運行；中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所以稻草、麥草等軟秸稈和稻殼等農(nóng)業(yè)剩余物為原料，并建成生物質(zhì)氣化發(fā)電裝置，已經(jīng)投入運行，具有明顯的直接經(jīng)濟收益。設(shè)備正常運行時，每年可處理約3萬t多秸稈、稻殼、木屑等生物質(zhì)廢料，每年大大減少CO2的排放[7]。
3生物質(zhì)氣化技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備
生物質(zhì)氣化是通過氣化裝置的熱化學(xué)反應(yīng)，可將低效能的固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成高效能的可燃?xì)猓虼藲饣癄t自然是生物質(zhì)氣化過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一。我國使用的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)，主要有固定床、流化床和直接干餾熱解3種工藝形式。固定床氣化爐工藝一般采用空氣為氣化劑，氣流方式有上吸式、下吸式或是平吸式，特點是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、可以實現(xiàn)多種生物質(zhì)原料的熱解氣化、投資少等。但是得到的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档停ǔＴ?200～7560kJ/m3之間，屬低熱值可燃?xì)猓疑镔|(zhì)氣焦油含量高，容易造成管路堵塞。流化床氣化爐的工作特點：氣固接觸混合良好，停留時間都較短，床內(nèi)壓力降較高，受熱均勻，加熱迅速，氣化反應(yīng)速度快，可燃?xì)獾寐矢撸瑺t內(nèi)溫度高而且恒定，可燃?xì)庵薪褂秃枯^小，但出爐的可燃?xì)庵泻休^多的灰分，可頻繁啟停，氣化強度大、綜合經(jīng)濟性好，非常適合于大型的工業(yè)供氣系統(tǒng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備投資較多，常見的氣化爐類型如圖4所示。直接干餾熱解的特點是生物質(zhì)在隔絕空氣條件下進行熱分解，產(chǎn)物為固體炭、液體的木焦油和木醋液、可燃性氣體，生產(chǎn)過程須外加能源[8]。各氣化爐的工作原理及氣流走向如圖5所示。
生物質(zhì)氣化產(chǎn)出物除可燃?xì)馔猓€有灰分、水分及焦油等物質(zhì)[9]。大部分灰分由爐柵落入灰室，可燃?xì)庵械幕覊m需經(jīng)除塵裝置分離出，然后將可燃?xì)夤┙o用戶或者發(fā)電機使用[10]。收集到的灰分進一步處理，可加工成耐熱保溫材料，或提取高純度的SiO2，也可用作肥料。因此，通過除塵裝置將可燃?xì)怏w中的灰塵分離出來，不僅可以提高可燃?xì)獾馁|(zhì)量，減少對設(shè)備的損傷以及管道的堵塞，并且還可以提高產(chǎn)品附加值。
4制約生物質(zhì)氣化技術(shù)快速發(fā)展的主要問題
1）焦油問題。焦油問題是影響氣化氣使用的最大障礙，除了氣化供熱，氣體燃料直接用于燃燒以外，無論是用于發(fā)電或供氣，都有焦油問題。焦油會堵塞管路，污染氣缸，堵塞火花塞或燃?xì)饪祝拱l(fā)電與供氣無法正常運行，還會引起二次污染。因此，焦油問題是氣化發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵之一。解決焦油問題最徹底的方法就是把焦油裂解為永久性氣體。目前雖有焦油熱裂解與催化裂解的試驗，但距實用仍存在一段距離，因此目前要解決焦油問題還應(yīng)加大力度研究焦油裂解的經(jīng)濟實用方法[11]。
2）二次污染問題。為了處理生物質(zhì)氣化中產(chǎn)生的焦油和對氣體進行除塵，氣化裝置、凈化裝置需用大量的水作為除塵、除焦介質(zhì)。除塵、除焦后的水含有焦油和灰分等有害物質(zhì)，在排放前需進行無害化處理，并盡可能循環(huán)使用，使排放的廢水中有害物質(zhì)高于環(huán)保要求，從而減少由于除焦、除灰?guī)砹硕挝廴尽τ诨椅廴締栴}處理比較簡單，只要提高氣化效率，并對灰進行煅燒處理，即可滿足要求。對于廢水問題，就比較難處理，根本方法就是減少焦油的產(chǎn)生，因為其主要來源于水洗除焦油[12]。
3）氣體熱值偏低問題。由于生物質(zhì)氣化氣可燃成分少，熱值一般是天燃?xì)鉄嶂档?/17～1/7，熱值偏低。為了滿足熱負(fù)荷的要求，就要消耗大量的氣體，這就使得貯氣柜體積增大，使貯氣柜的投資增加。
4）提高氣化技術(shù)的經(jīng)濟效益問題。目前已經(jīng)建成運行的氣化站，多數(shù)將燃?xì)夤┙o農(nóng)民炊事之用，除極少數(shù)冬季運行的氣化站產(chǎn)出氣應(yīng)用于采暖外，其它的應(yīng)用形式很少，這樣就影響了氣化氣的運行效果，氣化機組閑置時間較長（一般只運行2～3h/d），售出氣量少，影響了氣化站的經(jīng)濟效益，同時在一定程度上也影響了氣化站建設(shè)單位或個人的積極性。
5生物質(zhì)氣化技術(shù)展望
顯著的技術(shù)優(yōu)勢和良好的經(jīng)濟性構(gòu)成了生物質(zhì)氣化技術(shù)裝備進入市場的基本動力[13]。可以預(yù)見，隨著農(nóng)村整體經(jīng)濟實力增強，對高效能的潔凈氣化能源的需求增大，生物質(zhì)能必將與太陽能、風(fēng)能、地?zé)帷⒄託獾纫黄鸨涣袨檗r(nóng)村能源開發(fā)與利用的重點，而且其市場覆蓋面會越來越廣闊。同時，生物質(zhì)氣化技術(shù)具有原料可再生及對環(huán)境友好的特點，因而受到關(guān)注程度越來越高，并在過去幾十年里取得了重要進展，尤其是近20年我國在生物質(zhì)氣化發(fā)電研究方面已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某删停壳罢窃摷夹g(shù)步入商業(yè)化運用的關(guān)鍵階段。
我國是一個農(nóng)業(yè)大國，有著豐富的生物質(zhì)資源，大力發(fā)展生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)對于解決當(dāng)前電力供應(yīng)不足、增加農(nóng)民收入以及減少環(huán)境污染等方面具有十分重要的意義，生物質(zhì)氣化技術(shù)也為能源的可持續(xù)發(fā)展指明了道路。同時，發(fā)展生物質(zhì)氣化技術(shù)最終可實現(xiàn)以科技創(chuàng)新推動農(nóng)村環(huán)境保護，建立農(nóng)業(yè)生物質(zhì)綜合利用技術(shù)為主體的農(nóng)村環(huán)保科技支撐體系，為加快社會主義新農(nóng)村建設(shè)步伐，加快改善我國農(nóng)民生產(chǎn)與生活環(huán)境的進程提供技術(shù)保障。
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