适于区域生物质特性的生物质气化技术的研究进展

聶鑫蕊,殷 科,孙 军

(上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070)

· 综 述 ·

适于区域生物质特性的生物质气化技术的研究进展

聶鑫蕊,殷 科,孙 军

(上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070)

基于我国生物质综合利用行业发展现状分析，进行生物质发电、生物沼气、生物质成型燃料以及生物液体燃料的市场发展前景和技术发展趋势的综合比较，进而聚焦于生物质气化技术，梳理出其主体发展路线研究进展，结合区域生物质特性，总结出最适于当地生物质特性的生物质气化发展技术，从而进一步推进生物质能行业发展和技术开发。

生物质能行业发展生物质气化技术；区域生物质特性；技术路线

我国生物质能分布广泛、产量丰富，可永续利用，具有环境友好和可再生双重属性，发展潜力巨大。通过先进、成熟和高效的转换技术，将其生产成使用方便、无污染的气体燃料、固体燃料和液体燃料，替代化石能源，减少温室气体排放，是我国发展生物质能产业的长期目标。目前我国生物质能行业发展呈现多元化发展趋势。

1 生物质能行业发展现状

据中国工程院咨询报告统计，国内各类清洁能源的资源量及占比排序中，生物质占首位，其资源量是水电的2倍和风电的3.5倍。我国的生物质能源蕴含丰富，可作为能源利用的生物质资源总量每年约4.6亿吨标准煤，目前已利用量约2 200万吨标准煤，还有约4.4亿吨可作为能源利用。我国的生物质能市场仍具有巨大的发展潜力。目前，我国对生物质能的发展主要集中在发电、生物沼气、生物质成型燃料、生物液体这四个方面[1]，见表1。

生物质发电行业，主要有三种成熟的形式:生物质直燃发电、沼气发电和生物质气化发电，其中发展最为成熟的是生物质直燃发电。2013年全国生物质直燃发电项目200余项，并网容量7 790兆瓦，上网电量356亿千瓦时[2]。由于我国生物质资源较为分散，大型直燃电厂的燃料收集成本较高，发电成本太高已成为我国秸秆直燃发电产业化的主要障碍，从全国来看，我国生物质发电行业目前呈现出行业保持快速增长、发电成本增加导致行业陷入困难，不同技术获得的收益不同的特点。

生物沼气行业，我国沼气产业始于70年代，现在处于第3个高峰发展期。主要有两个发展方向：(1)农村户用沼气系统(小型化)，目前该技术已经成熟；(2)养殖场沼气工程(大型化)。我国户用沼气技术目前正在向大中型化工程发展，需要进一步加强自主创新[3]。

表1 我国生物质能应用规模与发展目标Tab.1 Scale and develop target of biomass energy application in China

注：1GW=109W=106kW; 1Mt=106t；1Mm3=106m3。

液体燃料行业，中国生物液体燃料研发的种类为：燃料乙醇、生物柴油、生物质热解液化，气化合成燃料，其中以燃料乙醇、生物柴油产业化发展较为成熟。对于生物柴油来说，廉价、来源稳定的原料供应不足成为了阻碍生物柴油产业发展最大的问题[4]。从资源可持续供给和取得根本性技术突破的角度看，生物质热解液化、生物质气化合成燃料具有更加宽泛的资源基础和广阔的发展应用前景，但目前技术尚处于实验研究阶段，整个行业面临着原料难规模化、受政策干预较强特点，产业链亟待整合。

成型燃料行业，由于国家的政策正在大力推行生物质成型燃料行业，成型燃料市场有望井喷式发展，预计到2020年成型燃料产量将达到5 000万吨，同时有52万台中小燃煤锅炉需要7.2亿吨标煤替代[5]。但由于技术壁垒较低，目前该行业已经趋于饱和，未来发展应通过与生物质发电等产业多联产以提高能源利用效率。

从整个生物质综合利用行业来看，生物质能综合利用行业发展前景广阔，生物质能五大行业处于各个技术齐驱共同发展时期[6]。生物质发电相较于其他行业，技术壁垒高，且行业商业模式趋于成熟化，因此可以作为进入生物质综合利用领域的切入点。从规模互补考虑上，综合考虑资源禀赋和生物质发电技术经济特点，我国生物质资源相对集中地区可优先发展大中型生物质直燃/混燃发电和生物质热电联产项目(10 MW以上)，生物质资源相对分散区域可灵活发展中小型生物质气化发电(10 MW以下)技术。

2 生物质气化技术研究进展

生物质综合利用行业内的主要技术类型，包括生化法、热化学法、液化学法、直接燃烧法、物理化学法。生物质能产业发展呈现出多元化的技术体系，分别涉及原料、转化工艺、生物质能产品以及终端利用的多样化，本文根据不同的终端利用，将详细技术路线及对应的生物质能行业发展，如表2，通过总结对比可以看出热化学法中气化技术是适用范围最为广泛的技术，其后期产物包括燃气、电力、液体燃料，避免了其它技术后端产品单一化的局面，增强了其技术发展的经济性[7]。

表2 生物质能行业技术及产业发展前景Tab.2 Technology and industry development prospect of biomass industry

续表2

2.1 生物质气化技术原理

气化是通过生物质在高温(800℃～900℃)下不完全氧化将生物质转化为 CO、H2、CH4及 CO2等气态混合物的过程。依据在气化器中发生的不同热化学反应，可以从上至下依次分为干燥层、热解层、氧化层和还原层四个区域。气化工艺采用不同原料和吹入气体(空气、氧气和水蒸汽)所产生的可燃气成分各不相同，应用路线也不同。

气化炉是气化反应的主要设备。生物质在气化炉中完成了气化反应过程，并转化为生物质燃气。目前，国内外正研究和开发的生物质气化设备按原理主要分为固定床气化炉和流化床气化炉。固定气化炉适用于1MW以下分布式能源系统，流化床气化炉更适用于大规模(1MW以上)，达到规模效应，进而体现其经济性。因此可根据应用技术的工程规模以及后端应用的气化焦油含量要求，来进行炉型的选择。

2.2 生物质气化主体路线梳理

生物质气化后端产品多样化，包括了热力、燃气、发电以及合成化学品等多种产品市场[8]，国内外在近年来纷纷开展生物质气化技术的研究，并取得了阶段性成果[9]，整个生物质气化行业处于工程示范阶段。

目前，通过国内外生物质气化示范项目梳理，通过不同适用规模和市场，进行了生物质气化领域的主体技术路线梳理。

2.2.1 面向分布式能源市场

(1)固定床气化分布式发电技术路线，主要面对生物质资源较为分散的农村地区，主体的工艺组成模板：进料系统、固定床气化炉、气体净化装置、储气罐、内燃机。国内代表企业为山东能源所，国外代表企业为丹麦的BWV公司气化热电联供系统、芬兰Corbona公司热电系统、加拿大Nexterra公司的热电系统[10]、丹麦TUD的700kW的热电联产示范项目[11]；(2)固定床气化供热技术路线，主要面向供热需求较大的企业或是工业园区，主体的工艺组成模板：进料系统、固定床气化炉、锅炉，该技术路线的经济成本较低，投资回报期较短，目前发展态势良好，国内代表性企业为广州能源所的7MW混流式固定床气化共燃系统[12-13]。

2.2.2 面向燃煤锅炉共燃，合成燃料系统等兆瓦级中大型规模市场

(1)流化床气化发电技术路线，主要面向1MW以上规模的气化发电、热电联供，主体的工艺组成模板：进料系统、流化床气化炉、气体净化装置、燃气轮机+冷凝器，国内主要代表企业为广州能源所的6MW谷壳气化发电系统[14]，国外代表为瑞典VARNAMO企业的18MW BIGCC系统，Foster Wheeler的50MW循环流化床气化系统[15]，Mesto公司8MW双流化气化炉。与燃煤锅炉共燃，国内主要代表项目为国电长源集团的10.8MW的气化共燃项目；(2)流化床气化合成液体燃料技术路线，目前技术仍处于技术研发阶段，国内主要代表为凯迪电力，主体生产工艺包括：气化工序、脱二氧化碳工序、脱硫工艺、费托合成工序、产品加氢工序。

3 区域生物质特性分析

通过实地调研项目所在区域——安徽省五河县，在最佳运输半径50km[16]以内的乡镇的主要粮食作物耕作面积、平均亩产量以及当地的各个粮食作物的草谷比，通过计算，得到了走访乡镇的主要粮食作物耕作面积、产量、秸秆产量，可以得到当地主要秸秆类别为小麦、玉米、水稻，比例为40%∶40%∶20%。

为方便不同区域之间的生物质资源的调配，同时适当扩大运输半径[17]，生物质颗粒成型燃料作为当地生物质发电项目的主要燃料来源，因此依据当地秸秆的主要比例定制生物质成型燃料，来作为本次气化技术路线制定的主要燃料输入，对于区域生物质散料和成型燃料的展开基础分析，从而有利于确定最终的气化工艺技术路线。

(1)工业分析

首先，根据《GB/T 28731-2012》的工业分析试验方法针对颗粒状混合成型燃料进行了工业分析，得到散料和成型燃料的工业分析结果，同时与上海稻秆、稻秆颗粒试验参数进行对比(见表3)，安徽稻秆和玉米秆的工业分析结果较为接近，灰分含量明显高于木质类生物质，因此在气化转化工艺的设计过程中应充分考虑灰的结渣问题。

表3 各试样工业分析结果Tab.3 Industrial analysis results of different sample (%)

(2)元素分析

元素分析主要关注N和S这两种与污染物关系密切的元素，通过元素分析结果(见表4)可见秸秆类生物质的元素组成与松木的区别不大，但N和S含量明显高于木质类生物质，因此在转化过程中应尤其关注氮氧化物的生成情况。

表4 各试样元素分析结果Tab.4 elementary analysis results of different sample (%)

(3)热值

生物质热值的测量有相应的国标方法，也可以通过理论计算得到，公式为门捷列夫公式，主要通过生物质固态燃料的各元素含量百分比来进行计算得到。

QH=4.187×[81C+300H-26(O-S)]

(1)

QL=QH-6×(9H+W)×4.187

(2)

其中个符号代表含义：QH：高位热值，kJ/kg、QL：低位热值，kJ/kg。C、H、O、S分别代表了该元素在样料中所占质量百分比，W则为原料中的水分含量。以上表4的试验数据为基础，进行计算，可得相应的热值结果，如表5所示。

表5 各试样热值数据结果Tab.5 Heat value results of different sample (kJ/kg)

通过整理元素分析、工业分析、热值等基础数据，可见安徽稻秆和玉米秆的挥发分含量分别高达63.70%和67.87%，因此气化过程中热解阶段气体和液体产物的析出量应较大，需要关注焦油产物的组成规律[18]。元素分析结果显示，相比木片，安徽稻秆和玉米秆的N元素含量要高得多，分别达到了0.600%和0.830%，在气化炉工艺参数的设计过程中需要关注NO的生成，燃料热值有助于我们进行生物质气化技术应用规模的选择。

4 基于区域生物质特性的生物质气化技术路线选择

通过当地各乡镇的实地调研的各类秸秆产量，结合相应计算热值，可得到一个乡镇的秸秆能够提供的热输入功率为800kW/h～1000kW/h，同时考虑到当地已有15MW×2规模以上的生物质直燃电厂，因此综合考虑当地生物质资源量以及规模互补，最终选定生物质气化技术路线面向的是分布式能源系统(1MW以下)，则固定床气化炉作为该规模的最适宜的选择。结合上文中生物质气化技术路线的梳理可以看出，目前行业发展较为成熟的即固定床气化分布式发电技术，同时后端燃气利用以发电为主，对于气化燃气焦油含量(≤100mg/Nm3)[19]要求较为严格，为拓宽后端燃气利用奠定了基础。

基于后端燃气利用对于焦油含量的严格要求以及固定床气化炉主体炉型的研发趋势，选择了两段式固定床气化炉作为主体研发炉型。两段式气化炉是丹麦DTU大学[20]提出，基于将气化过程中热解与还原区分离的理念，在热解与气化之间喷入加热空气，使部分热解气在喉口处被燃烧，在喉口段产生局部高温，由此达到大量脱除焦油，提高气化气品质的目的。该炉型与其他固定床气化炉相比，具有气化燃气焦油含量低(≤50mg/Nm3)、有效回用内燃机尾气、气化气净化工艺简单(炉内脱焦)、系统占地面积小等优点[21]。最终基于区域生物质特性，确定了两段式气化炉分布式发电的技术路线，该技术路线的主要组成部分为进料系统、两段式气化炉、气体净化装置、储气罐、内燃机，可以此为基础来推进生物质气化发电产业发展。

5 结 论

(1)从整个生物质综合利用行业来看，生物质发电行业商业模式趋于成熟化，因此可作为进入生物质综合利用领域的切入点，生物质直燃发电和气化发电可根据区域资源特性来进行规模互补的技术选择。

(2)从生物质综合利用行业内的主要技术类型来看，气化技术是适用范围最为广泛的技术，其后期产物包括燃气、电力、液体燃料，增强了其技术发展的经济性。

(3)面向分布式能源市场，主体技术路线为固定床气化分布式发电，面向兆瓦级中大型规模市场，主体技术路线为流化床气化发电技术、流化床气化燃煤锅炉共燃、流化床气化合成液体燃料技术路线。

(4)通过区域实地数据调研和成型燃料的基础性质分析，当地主要秸秆类别为小麦、玉米、水稻，比例为40%∶40%∶20%，相较于木片，当地秸秆的挥发分含量和N元素含量较高，需在系统工艺设计中进行优化设计。

(5)基于调研区域的生物质资源量、规模互补以及后期燃气利用拓展，确立两段式气化炉分布式发电的技术路线为最适宜推进调研区域的生物质气化发电产业发展。

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Research Progress on Biomass Gasification Technology Fit for Regional Biomass Features

NIE Xin-rui,YIN Ke,SUN Jun

(ShanghaiElectricGroupCo.,Ltd.CentralAcademe,Shanghai200070,China)

Based on analysis of current development of comprehensive utilization of biomass industry in our country, the market prospects and technology development trend of biomass power generation, biogas, biomass briquette, and biology liquid fuel were comprehensively compared, then focused on biomass gasification technology, teased out the main research progress, and combining with regional characteristics of biomass, summed up the biomass gasification technology which is most suitable for local biomass features , thus, further promote the development of biomass industry and technology development.

Biomass industry development；biomass gasificationtechnology； area biomass features；technology route

2016-11-11

聶鑫蕊(1990-)，女，河南信阳人，2014年毕业于中国科学院生态环境研究中心环境经济与管理专业，硕士，工程师，研究方向为生物质气化，产业生态学、生命周期评价。

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1001-3644(2017)02-0155-06