生物质气化综合利用技术概述

高泽远

（安徽华东化工医药工程有限责任公司，安徽 合肥 230000）

1 前言

人类的进步和社会的发展离不开能源，它是人类社会赖以生存的基础，而随着经济快速发展，人类对能源需求也日趋增长，从工业时代的开启至今，化石能源为人类社会带来具大推动力，与此同时，随着能源需求的激增，化石能源的使用导致生态环境的恶化也成了当今世界各国的共识，生存环境与自然环境的平衡问题促使人类社会必须开发新的可再生清洁能源来代替化石能源。

生物质能源，是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，是一种可再生能源，也是唯一一种可再生的碳源［1］。国家发改委能源研究所及各大科研院校共同研发的生物质气化技术，利用农林废弃的秸秆及枝叶等生物质作为能源原料，将能量密度低的固态生物质原料转换成能量密度高便于使用的能源存在形式，使得农林废弃的生物质变废为宝，也更加有利于生态环境的良好发展。

2 生物质气化工艺

2.1 生物质气化工艺流程

生物质气化属于热化学反应过程，其原理是生物质在高温缺氧的条件下热解［2］，热解后的碳与供入的气化介质（空气、水蒸汽）发生氧化还原反应，最后生成含有一定量的CO、H2、CO2、N2、CH4、CnHm等混合气体［3］。气化反应生成的粗燃气净化处理除去焦油等杂质后即可得到相对清洁的可燃气体，可送至发电锅炉发电、供热，同时各副产物可配套生产生物质炭基肥、水溶肥以及焦油。生物质气化工艺流程详见图1。

图1 生物质气化工艺流程Fig.1 Process flow of biomass gasification

2.2 各个单元工艺流程概述

（1）生物质气化单元。将水稻、玉米等农作物秸秆压块成型，成型粒度为30～50 mm，经具有除尘、计量、自控、筛选功能的皮带输送系统送至气化炉上部适应生物质原料的料仓，然后通过自动加料机进入气化炉，与炉下进入的气化剂在炉内适宜温度下反应，生物质原料被转化为燃气；出气化炉的粗燃气含有焦油、粉尘、水分等杂质，经洗气塔喷淋冷却，降温至80 ℃以下。

（2）生物质燃气净化单元。制气单元出来的生物质粗燃气，经喷淋冷却温度在80 ℃以下，首先进入一级电捕焦油器，分离其中的大部分重分子焦油及粗杂质，然后进入间冷器，使燃气温度降至35～40 ℃，同时使燃气中大部分水汽冷凝分离后，气体再进入二级电捕焦油器，进一步除去剩余的轻分子焦油及细微颗粒物；使适应下段工艺的洁净秸秆燃气经增压机送入生物质燃气干式气柜缓存，进而送至发电锅炉发电、供热［4］。

一级电捕焦油器和二级电捕焦油器分离出来的焦油在设备下部经水封槽引出至焦油池，通过初步油水分离、除味并进一步脱水后，由焦油泵送至焦油产品罐储存［5］。

间冷器的冷却水由冷却循环水系统供给，塔底燃气冷凝下来的酚水引入水池，其中一部分用于气化炉灰盘装置补水，一部分送至生产水溶肥，其余补充至循环水系统，达到系统水平衡，实现生产污水零排放。

气化炉下部灰盘出来的灰渣通过皮带机送至配套的炭基肥生产线进一步加工成生物质炭基肥。

3 生物质气化主要危险因素及工艺安全设施

3.1 火灾和爆炸危险

（1）气化、净化单元工艺过程中的生物质燃气成分中主要有H2、CO、CH4、H2S 等易燃、易爆、有毒有害气体，几种气体爆炸的上下限见表1。

表1 几种气体爆炸极限表Tab.1 Limit table of several gas explosion %

根据生物质燃气组分含量及各组分的爆炸极限，计算得出生物质燃气的爆炸极限为6.3%～65.2%，爆炸极限范围广，与明火接触即可发生爆炸。火灾和爆炸重点部位如下：生物质气化炉在操作中最危险的燃烧爆炸因素是燃气“透氧”，即生物质燃气中氧含量超过0.5%，因此进入少量氧气时易达到爆炸极限。在气化炉、净化设备、增压机及输送管道等易产生静电、火花的地方易发生爆炸。

（2）秸秆储料区域为火灾危险性场所，长时间堆放秸秆易分解并发生自燃。

（3）焦油为可燃物，脱水后的焦油易发生火灾。

3.2 中毒危险

气化燃气中含有较高的一氧化碳及少量的硫化氢，均为毒性气体，一旦发生泄漏有中毒危险［6］。

3.3 工艺安全设施

（1）燃气制气。气化鼓风机与净化排送机连锁，一旦鼓风机停车，排送机同时停车，以防止设备、管道内产生负压。

（2）燃气净化。净化系统中连接各设备的燃气管道设置防爆板及安全水封，用于保护设备和管道。

（3）储气系统。设有安全联锁及放散，并紧急工况进行联锁保护。

（4）出灰系统。灰渣从气化炉底自动落入到湿式灰盘，除去余火并降温。

（5）可燃有毒气体检测系统。在生物质气化、净化、增压及储气单元等区域设置可燃有毒气体检测报警装置，一旦空气中可燃有毒气体浓度超标时，检测器发出声光报警，提醒操作人员及时检查并处理。

4 生物质气化核心设备固定床气化炉选型

4.1 固定床气化炉的工作原理

生物质气化一般是利用空气作为气化剂，在密闭缺氧的条件下，采用热解法及热化学法产生主要成分为碳氢化合物的可燃性混合气体。生物质气化过程基本包括下列主要反应［7］：

典型的上吸式生物质固定床气化炉的反应由为5个区组成，主要为干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层。

固定床生物质气化炉结构简单，运行成本不高，同时操作过程对生物质原料质量要求不高，加工好的成型物料自上而下加入气化炉，在炉体内发生热化学反应，产生氢气、其他可燃气体及惰性气体，并获得维持反应的热量。固定床气化炉按照气体流向可分为上吸式、下吸式［8］。

4.2 上吸式固定床气化炉

上吸式生物质气化炉的气化剂由气化炉底部进入，自下而上流动，为生物质气化反应提供氧气，符合反应温度条件的生物质中的碳与气化剂中的氧气发生强烈的氧化还原反应，并消耗气化剂中氧气，气化剂中的水蒸气在高温碳层中被分解成氢气和氧气，而氧气又与碳反应生成一氧化碳、二氧化碳，并控制氧化层温度在生物质灰熔点指标范围内［9］。上吸式生物质气化炉出口燃气主要成分见表2。

表2 上吸式生物质气化炉出口燃气主要成分表Tab.2 Main components of gas at the outlet of updraft biomass gasifier

还原区将燃气中CO2在该区还原成CO，并吸收热量，因此还原区反应温度永远低于氧化层。同时氧气消耗生物质中碳，氧化层生物质中碳含量逐步下降，直至耗尽成渣，该区域气化剂中氧气含量逐步上升，并进入原还原层使温度上升，成为氧化层，火层上移，通过调节出渣速度，床层下移，从而保持氧化层相对稳定。因此上吸式生物质气化炉燃烧充分完全，灰渣中残碳少，气化效率高，燃气流动方向自下而上，所以便于物料的热分解和干燥，由于生物质固定碳含量低，挥发分高，且挥发分在干馏层被高温燃气作用发生热分解，随燃气带出气化炉，剩下的固定碳一部分发生氧化反应，产生气化所需反应热；氢气的产生主要靠碳在一定温度下与水蒸气分解反应产生，因此上吸式气化炉氢气含量的百分比低。

上吸式生物质气化炉更适用于含水率高的生物质物料，生物质燃气在经过热分解层和干燥层时，将热量传递给物料，用于物料的热分解和干燥，同时降低其自身的温度，使炉子热效率大幅提高；热分解层和干燥层对燃气有一定的过滤作用，所以出炉的燃气中只含有少量灰分，适用于燃气无需冷却过滤便可以输送到直接燃用的场合；炉子结构简单，易加工制造，炉内阻力小。

但上吸式生物质气化炉还存在固有的缺点：原料中水分不能参加反应，减少了燃气中氢和碳氢化合物的含量，气体与固体逆向流动时，物料中的水分随产品气体带出炉外，降低了燃气的实际热值，增加了排烟热损失；热气体从底部上升时，温度沿着反应层高度下降，物料被干燥后与低温度的气流相遇，在低温（250～400 ℃）下进行热分解，导致焦油含量高，且与物料中被吹出的悬浮灰粒相互作用，易堵塞燃气管道；气体在净化冷却过程中产生的酚水，需配套相应酚水处理装置。上吸式生物质气化炉原理详见图2。

图2 上吸式生物质气化炉原理图Fig.2 Schematic diagram of updraft biomass gasifier

4.3 下吸式固定床气化炉

下吸式生物质气化炉气化剂在炉体内在鼓风机的作用下自上而下流动，并与生物质在气化炉内移动方向一致，火层上部生物质受火层热辐射作用，纤维素、木质素发生分解而析出大量含焦油芳香烃气体，通过高温氧化层时，被裂解成为小分子量烷烃类气体，所以炉体出口的燃气中焦油含量相对较少［10］。也正由于气化剂运动方向与生物质移动方向一致，这种下吸模式中，氧化层承担着分解干馏出来的焦油芳香烃气体转化成小分子量烷烃类气体的任务，同时还要使干燥层受热蒸发出来的水蒸气转化成氢气，以上过程均为吸热反应，因此氧化层温度受到了一定的限制，为保证足够的气化反应温度，对生物质含水提出了更高要求；从氧化层出来的燃气氧气，在高温及生物碳存在条件下被消耗殆尽，随着火层上部首先获得氧气的生物质被点燃，新的氧化层形成，氧气被消耗，原氧化层下部逐渐缺氧，致氧化反应逐渐终止，由氧化层积蓄而来的热量的还原层，在二氧化碳还原成一氧化碳吸热反应的过程中温度逐渐下降，最终失去反应热量，大部生物碳被完整保存下来，因此灰渣中碳含量为40%～50%，气化效率较低，氢气含量稍低于上吸式气化炉，下吸式生物质气化炉出口燃气主要成分详见表3。

表3 下吸式生物质气化炉出口燃气主要成分表Tab.3 Main components of gas at the outlet of downdraft biomass gasifier

下吸式气化炉的优点是：结构简单，燃气出口焦油含量低，气化强度比上吸式高；工作稳定性好，适用得碳为目的小规模生产。缺点是：出炉的燃气中含有的灰分较多，需除灰处理；出炉的燃气温度较高，需进行冷却降温处理。

下吸式生物质气化炉原理详见图3。

图3 下吸式生物质气化炉原理图Fig.3 Schematic diagram of downdraft biomass gasifier

5 结论

我国是一个农业大国，有着丰富的生物质能源，大力发展生物质气化发电及副产生物质炭基肥、水溶肥技术对解决电力供应不足、提高生态肥料使用及减少生态环境污染等方面做出了贡献。同时，生物质气化技术也为能源的可持续发展开拓一条新的道路，对推进我国碳达峰、碳中和事业的发展，优化能源结构，大力发展清洁能源和可再生能源有着十分重要意义。