生物质热解气化技术的关键点分析

李艳 王欣 孙利利

（北京国环清华环境工程设计研究院有限公司 北京 100084）

1 生物质热解气化技术概述

生物质热解气化技术是在一定的温度条件下，将高分子有机物分解转化为小分子、高质量能源燃料，实现能源利用的一项综合性技术。通过有机物的热解、氧化还原反应将有机物转化为富含一氧化碳、氢气的生物质燃气，通过燃气的甲烷化反应还能够将其进一步制备成清洁、高品质的天然气。随着世界资源的日益匮乏以及环境保护观念的日渐深入，各国对生物质热解技术的研究越来越深入，美国、加拿大、瑞典、芬兰、德国等对生物质热解技术的研究以及生物质能的利用都比较成熟，促进生物质能利用的规模化、自动化是生物质热解气化技术研究的核心[1]。我国的农林生物质能资源非常丰富，加强这一技术研究对缓解我国能源匮乏的现状，提高工业生产效率和能源供应具有重要意义。

2 生物质热解及气化技术的原理分析

2.1 生物质热解、气化反应的原理

生物质热解是在高温加热条件下，生物质颗粒受热量作用裂解为小分子产物和挥发组分的过程；生物质气化则是利用气化剂将固体燃料中的碳氧化为气体燃料的过程[2]。生物质热解、气化的原理如图1、图2所示：

图1 生物质热解原理图[3]

图2 生物质气化原理图[3]

生物质热解气化反应是制备气态燃料的热化学过程，是一个复杂的分解过程，对反应的温度、压力、装置都有较为严格的限制，由生物质有机物转化为气态燃料要经过干燥、液化、热解、气化等过程[4]。

2.2 生物质热解气化技术简介

自20世纪70年代以来，世界各国对能源利用的研究逐渐重视，对生物质能的开发研究也越来越多，美国等发达国家对生物质能开发利用规模较大，技术研究也较为成熟。美国对生物质热解气化技术的研究主要针对于生物质能发电，其生物质联合循环发电技术、生物质综合气化装置联合燃气轮发电技术、炭化气化木煤气发生技术等对促进其经济发展起着非常重要的作用[5]。德国对于生物质热解气化的研究也是较为先进的，德国公司设计的下吸式气化炉联合内燃机发电机技术气化效率几乎可以达到90%，这为生物质能的高效利用起到了很大的推动作用。加拿大研究设计的固定床湿式上行气化装置及流化床气化装置利用规模较大，自动化程度较高，对生物质能的发展起到了很大的推动作用。芬兰是世界上利用生物质能最多、最成功的国家之一，其开发的循环流化床锅炉技术发电效率及热转化效率较高，废弃物的处理也较为科学。

生物质能的开发利用是缓解能源危机的一条有效途径，要保障我国经济的持续稳定发展，必须借鉴先进国家的经验和技术，加强对生物质热解气化技术的研究。与上述发达国家相比，我国生物质热解气化技术的研究起步较晚，开始于20世纪80年代，但经过近些年的努力也取得了很多先进的技术成果。我国自行研制的集中和分户式气化炉产品逐渐投入生产和使用，ND型气化及生物质干馏热解气化装置等为解决农村供电及工业生产带来很大的便利。下面介绍目前常用的几种生物质热解气化技术：

2.2.1 固定床式气化炉工艺技术

固定床式气化炉工艺技术是生物质热解气化研究较早的一项技术，按照气化装置进料方式的不同可以分为上吸式、下吸式、横流式和开心式等。该项工艺技术主要以空气为气化剂，设备装置通常比较简单，运行操作也较易实现，目前使用较多的为下吸式气化炉工艺技术。首先在热解过程中，固相反应取决于加热的温度，经历裂解、重整、变换等过程，还要保障不同大小颗粒的燃烧速率，这就要求在该项技术的研究中既要保障气化炉内足够好的加热条件，又要保障在高温下的良好传热与传质。基于上述要求，德国研发的下吸式气化炉联合发电机组系统性能及工作效率都比较高，在国际上较为先进。我国在传统下吸式气化炉的研究基础上进行了创新改进，研发的以蒸汽为气化剂的下吸式生物质热解和完全气化技术，转化效率和热值都比较高，随着研究的进一步深入仍有发挥潜力。国内某能源公司研发的可连续运行的下吸式固定床反应器，加入了主动配风技术，结合实时监控和反馈系统，根据反应状况自动控制气化剂的供给，其自动化程度及转化效率都比较高。

2.2.2 流化床气化炉工艺技术

流化床气化炉工艺技术是与固定床气化炉相对的一项工艺技术，与之相比，其设备结构及工作系统都比较复杂，可分为单流化床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床气化炉。流化床气化工艺中，生物质原料的粒度通常比较细，在工作中震动速率较快，因此床的传质、传热效率都比较高，气化也较为彻底。流化床是基于一种流态化操作技术，各工作环节相互独立又相互配合，其气化能力可以在较大的范围内进行调节，但由于流化床难以实现较高的温度要求，对于热解气化固态产物不能熔融，故而会带来一些废渣处理问题[3]。多循环流化床反应系统由几个串联的锥形反应筒组成，在各段锥形底部形成流化床，能有效提高反应的速率，串联的反应系统能够有效提高固、气滞留时间的比率，生物质输送与氧化反应区各司其职，能够减少运行故障，提高气化效率。奥地利研发的双流化床蒸汽气化技术是生物质热解气化中一项非常重要的技术，在该技术中将气化过程与反应产物利用分隔开来，首先以蒸汽作为气化剂进行气化，再将气化产生的固体作为燃料循环使用。双流化床蒸汽气化巧妙地运用了两段式热解气化，能够提高气化产物的品质，还能够实现热解产物的充分利用。

2.2.3 生物质合成天然气技术

早期对天然气能源利用是基于对煤气化技术的研究，主要是通过甲烷化反应制备高品质的天然气，这一技术的研究已经较为成熟，而生物质燃气的研究较晚，对于提高燃气品质以及生产效率的研究也有待进一步的深入。2008年奥地利某研究机构基于双流化床生产设备研发的天然气合成技术是生物质热解气化完整工艺的一次突破。在该项技术中，首先在传统热解、气化反应基础上，加入甲烷化及天然气合成系统，将常规的热解气化产物一氧化碳、氢气转化为天然气，再经过脱硫、脱氮、焦油处理等过程产生高品质的合成气体燃料。通过上述研究制得的气体燃料中甲烷的含量能够达到70%以上，基本上可以代替常规天然气的使用，这对于居民供暖、供气，解决常规天然气的不足具有非常重要的意义。我国对于生物质合成天然气技术的研究尚处于实验阶段，对该项技术的工业应用较少，因此加强生物质高热值合成天然气的研究是我国生物质热解气化技术研究的一个重要方向，推进该项技术的产业化、规模化发展有待进一步提高。

2.2.4 生物质富氧气化技术

生物质富氧气化技术是从气化剂的角度出发提高气化效率的一项新型气化技术。传统的生物质热解气化通常以空气为气化剂，但是由于空气中大部分为氮气，所以燃气质量及生产效率都比较低，若在进入反应炉之前将氧气富化提纯则会增加氧化层厚度释放大量热能，为反应炉提高足够高的温度，进而大大改善反应的效果。国外对于富氧气化技术的研究较为成熟，该项技术的研究主要基于双流化床设备，氧气的浓度可以达到99%以上。西班牙学者研发的双流化床反应器，通过膜控制技术富化反应中的氧气量，对气化效率的提高有较好的效果[4]。我国浙江大学搭建的小型试验台，研究通过富氧气化提高反应温度，一次性热解气化的热值较高；山东大学对生物质富氧气化的研究也较多，在传统生物质热解气化技术中加入膜法制气及氧气富化技术，研发出一种膜法富氧生物质热解气化装置，不仅使气化反应更加彻底，还能够大大提高氧化炉的温度，并减少了焦油及固体残渣产出[3]。生物质富氧气化技术对于提高燃气的热值具有重要意义，但我国对该项技术的装备研发及工业应用尚不成熟，推进生物质富氧气化技术的规模化、工业化应用还有待进一步推进。

2.2.5 生物质蒸汽气化技术[6]

与生物质富氧气化技术相同，生物质蒸汽气化技术也是从气化剂的角度出发进行研究的。水蒸气是生物质热解气化中一种非常重要的产物，将这一产物加以循环利用对于提高系统的生物质利用率有重要作用。水蒸气是生物质裂解反应及还原反应的重要原料，若将水蒸气作为下一步气化的气化剂则上述两个过程的反应会大大加强，因此生物质蒸汽气化技术是提高系统效率的一项重要途径[6]。奥地利某大学对双流化床蒸汽气化技术的研究较为深入，其双段式蒸汽气化反应装置具有较好的效果。我国大连理工大学对生物质蒸汽气化技术的研究在国内较为领先，其利用多孔的陶瓷介质作为热解反应的介质，然后利用一种上吸式的蒸汽热解气化的装置能够实现富氢气燃气的制取[5]。生物质蒸汽气化技术是以蒸汽重整为基础，一方面对生物质实现高效、高强度的气化，另一方面对燃气进行重整，对焦油及固态产物进一步热解，这对提高生物质热解的效率和燃气的品质具有重要作用。生物质蒸汽热解气化技术是系统内部结构组合的优化，能够提高反应的强度和效率，是生物质热解气化技术重要的发展方向。

3 生物质热解气化技术的应用和发展方向

生物质热解气化技术的主要应用是生物质燃气供应和生物质发电。生物质燃气具有清洁方便的特点，在人们生活中有着广泛的应用。通过生物质的热解气化，能够产生以一氧化碳、氢气为主要成分的清洁燃料，并通过进一步的甲烷化反应，能够产生热值较高的合成天然气，这对城市供气、供暖带来了极大的便利。生物质供电主要是通过生物质气化及直燃所释放的热量转化为电能，生物质发电项目的研究为解决工业用电及城市功能用电发挥着非常重要的作用。

生物质能是一种可再生的清洁能源，有着良好的发展前景。随着常规能源的日益枯竭，推进生物质能利用的产业化、规模化是生物质热解气化技术发展的必然要求。生物质热解气化技术的研究中，一方面要提高热解气化反应的强度和效率，另一方面要提高燃气的品质，因此研发高强度、高效率的固定式气化床及流化床工艺设备，改善生物质蒸汽气化及富氧气化的效果，加强对生物质合成天然气技术的深入研究是生物质热解气化技术的研究方向[7]。

4 结语

我国拥有丰富的农林生物质资源，利用生物质热解气化技术开发和利用生物质能源，能够达到清洁高效利用燃气的要求，推进工业发展。深化生物质气化炉装备的研发以及生物质蒸汽气化技术、生物质富氧气化技术、生物质合成天然气技术的研究，加强对生物质能源的利用，能够有效缓解我国能源匮乏的现状，对促进企业的产业结构升级具有强大的推动作用。

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