生物質熱解氣化及應用技術

 一、引言

隨著工農業經濟的發展，*對能源的需求日益增加，據報道，到2020年*的能量消耗量將比現在增長一倍。目前，這種能源需求主要通過增加石油、煤炭的消耗量來滿足，這不僅涉及到有限的石油、煤炭資源的維持問題，而且會使危及人類的環境污染問題變得日趨嚴重，因此，尋求新能源和可再生能源是我們迫切需要解決的重大課題。各類農作物秸稈和各種工業生物質垃圾等生物質原料一方面是主要的污染源，同時也是極為重要的可再生資源。

僅我國農村每年就有各類農作物秸稈6億多噸，除用于畜牧飼料、還田肥料、工業原料及直接燃用秸稈作為農民的炊事燃料以外，出現了剩余成災的現象。每到收獲季節，大量的秸稈在田間地頭被付之一炬，既浪費了寶貴的資源，也嚴重污染了環境，甚至影響到公路交通及飛機的正常起降。有關部門曾多次發文禁止焚燒秸稈，但一直未能杜絕這一現象，而且在一些地區甚至有愈燒愈烈之勢。同時，農村商品能源的短缺已經制約了9億農民生活方式的進步和農村的社會發展。

許多企業在生產產品的過程中，也產生了各種大量的生物質廢料，如紙廠麥草篩選廢料、中藥渣、蔗渣、糠醛渣、木屑、稻殼等，已成為較難處理的生物質垃圾。目前大都采用堆積或挖坑傾倒的方法，既浪費了人力財力，污染了環境，又占用了大量的有效土地，同時，也使這些低質生物質能源白白地浪費，而其中多數企業還需大量購買商品能源，以滿足生產需要。

生物質能是來源于太陽能的一種可再生能源，資源豐富，分布均勻，生物質在生長過程中吸收大氣中的CO2而成為碳元素向地表循環的zui重要途徑。因此利用新技術開發利用生物質能不僅可以代替部分化石原料，而且有助于減輕溫室效應和使生態良性循環，成為解決能源與環保問題的重要途徑之一。

但是，生物質原料也具有松散、密度低、高揮發分、低熱值等缺點，帶來了收集、貯存和使用的困難。爐灶直接燃燒是主要的傳統生物質能利用方法，其能源利用率只有10-15%，用能過程費時費力，并排放出大量煙塵。只有采用新的轉換技術克服這些缺點，才能使生物質這種寶貴而豐富的資源在現代能源結構中保持它的地位。生物質熱解氣化技術可以將固體生物質原料轉變成氣體燃料，使其使用更加方便清潔，而且能量轉換效率比直接燃燒有較大提高。是一種發展前途的可再生能源利用方式。

二、國內外情況及發展趨勢

能源是國民經濟發展的物質基礎，人類的進步和社會的發展與能源的開發利用和能源科技的發展緊密相關，同時能源開發利用所產生的環境污染和生態破壞又影響著人類的生存。在人類歷*，首先被開發利用的能源是生物質能，只是在工業革命以后，能量密度更高，而開采、運輸、使用更為方便的煤、石油、天然氣等化石能源才逐步取代了生物質能的作用，大量用于生產。由于化石能源的大量開采利用帶來了不可逆轉的環境和生態破壞，更由于七十年代的石油危機使工業發達國家認識到化石能源的性和分布不均勻性，世界各國都愈來愈重視包括生物質能在內的可再生能源技術的開發。我國也制定了一系列有關可再生能源的政策法規，提出了“因地制宜、多能互補、綜合利用、講求效益”的指導思想。

生物質熱解氣化可分為熱解、氣化和快速熱解等技術，其轉換過程和應用過程都可以派生出許多技術，形成豐富多彩的技術門類，如：氣化器的形式有固定床、移動床、流化床、氣流床等；氣化介質可以是空氣、空氣/水蒸氣、富氧空氣等；而燃氣則可用于炊事、加熱、鍋爐或發電等。生物質熱解氣化技術已有100多年的歷史，以木炭為原料的氣化反應器產生于1983年。早期的技術主要是將木炭氣化后用作內燃機燃料。二戰期間，這一技術在工程上得到了廣泛的應用，我國在石油供應緊張的五十年代，也較多地使用氣化器來解決汽車和農田灌溉的動力問題。

七十年代以來，歐美等發達國家對生物質氣化技術的研究十分重視，均有許多單位在進行此項技術的研究，并達到了較高的水平。如德國魯奇公司正在進行100MW生物質燃氣聯合循環（IGCC）的示范工程，成功后將是一種的發電系統；美國可再生能源實驗室（NREL）和夏威夷大學也在進行IGCC的蔗渣發電系統的研究；荷蘭特溫特（Twente）大學進行流化床氣化器和焦油催化裂解裝置的研究，推出了近于實用的無焦油氣化系統。近期的研究主要集中于將生物質轉換為高氫燃氣、裂解油等高品質燃料，并結合燃氣輪機，斯特林發動機、燃料電池等轉換方式，轉換為電能，為21世紀的電力供應作技術儲備。英國Aston大學和美國的諸多研究單位在生物質熱解液化的研究方面也取得了一定的突破。

我國一些研究單位也在進行生物質氣化技術的研究，開發了一批適合我國國情的技術和產品，已經達到實用程度并且已進行示范推廣的技術主要有：（1）秸稈氣化集中供氣技術，即山東省科學院能源研究所經過“七五”、“八五”、“九五”期間的研究形成的技術，已形成可供100－1000戶居民炊事用能的供氣系統。（2）氣化發電機組：原商業部科研所和紅巖機器廠研制的稻殼發電系統，已有一定程度的推廣，中科院廣州能源所研制的1MW流化床氣化發電系統代表了我國目前氣化發電技術的水平；（3）木材加工廢棄物氣化后直接利用，如中國農機院研制的木材氣化烘干設備等。這些技術展示了生物質氣化技術的經濟可行性和發展趨勢。

三、本單位工作概況

1、研究與開發

山東省科學院能源研究所在生物質熱解氣化技術研究方面，先后承擔了國家“七五”、“八五”、“九五”科技攻關項目中秸稈氣化集中供氣技術專題及山東省的科技攻關課題。經過大量實驗研究工作，克服了秸稈物理性質方面的缺點，突破原有氣化理論的限制，成功地氣化了秸稈類低質生物質原料，在*先提出了生物質氣化集中供氣系統的技術路線。該技術采用熱解氣化的方法將秸稈轉換為可燃氣體，以自然村為單元形成集中供氣系統，為農民供應炊事燃氣。以秸稈為原料的生物質氣化機組，氣化效率達到了72――75％，燃氣熱值達到5MJ/Nm3。開創了我國利用低質秸稈原料為農民供應高品位生活燃氣的新事業。在“七五”小試，“八五”研制的單機供應100－220戶居民生活燃氣的基礎上，“九五”期間發展為單機供應100－500戶，聯機供應500戶到近千戶居民生活燃氣的供氣系統。并針對系統運行中出現的問題，對秸稈氣化機組和供氣系統進行了多次改進與完善，在技術水平，操作工藝，設備配置等方面都有了較大的進步。截止99年6月份，已在山東、北京、山西、湖北、江西、江蘇、甘肅、黑龍江等近20個省（市）建設了100多個秸稈氣化示范工程，經受了長期運行的考驗，總結了運行、管理經驗。編制了常壓固定床生物質氣化機組制造技術條件，農村生物質燃氣供應系統設計規范、農村生物質燃氣供應系統施工和驗收規范，農村生物質燃氣供應系統運行維護規范等四項山東省地方標準，于98年5月由山東省技術監督局頒布實施。1997年生物質氣化集中供氣技術榮獲國家發明四等獎，山東省科技進步一等獎。

2、實驗條件

在多年研究工作的基礎上，我們逐步強化了我們的試驗力量，建成了多個有代表性的試驗臺架，配置了基本的測試、分析儀器，并且在98年我所申報了“山東省生物氣化技術重點實驗室”，已獲批準，山東省科學院專門為我所建造了1200m2的生物質氣化實驗室，已開始啟用,為我們承擔相關的重點課題、進行生物質氣化技術的深化研究,打下了堅實的試驗基礎。

3、隊伍建設

在多年的研究過程，我們逐步建立起了專業從事生物質氣化技術研究開發的技術隊伍，并已形成了生物質氣化工程設計服務的綜合能力和生物質氣化設備制造的產業能力。人員梯次、年齡結構合理，多人參加過“七五”、“八五”、“九五”課題的研究，具有較強的科研開發能力。

4、交流與合作

在科研工作中，我們注重對外交流和科技合作，從發達國家獲取。先后多次組團參加了可再生能源方面的會議，與一些學術單位建立了和合作關系，參加了中國農業部和美國能源部的可再生能源項目，與美國可再生能源實驗室進行了交流，與美國BG技術公司達成了生物質氣化技術合作意向，我們還與美國普林斯頓大學能源環境中心、瑞典蘭德大學、荷蘭特溫特大學等在生物能專項技術方面進行著接觸。

5、存在的不足

雖然我們在生物質氣化技術方面已取得了一定的成績，但尚有許多不盡人意之處。首先燃氣中焦油的清除還不*，燃氣中焦油含量偏高，給操作工人和用戶帶來一些麻煩。另外，出于降低初投資的考慮，目前設備的機械化、自動化程度偏低，有待進一步提高。 同時，燃氣的熱值還偏低，導致系統工程投資較大，影響到推廣的速度，也影響了其應用范圍的拓寬。

四、“十五”工作設想:

針對目前技術的不足，結合國內相關技術的發展趨勢，我們將把以下幾個方面作為我們“十五”乃至以后的研究重點。

（一）研制低焦油生物質氣化機組

1．關鍵技術及創新點：

（1）、研究生物質氣化過程中焦油產生的機理，及爐內溫度、加熱速度、原料品種、形狀等對焦油產生的影響，通過優化爐型結構、加設內部構件，實現對氣化爐各反應區的控制，使之處于*反應狀態，抑制焦油的產生或將焦油裂解，產生焦油含量較低的燃氣，減輕燃氣后處理的負擔。

（2）、針對秸稈原料密度小，流動性差，易架橋、抽空等特點，研究適宜的機械結構，實現氣化爐均勻穩定的反應，減輕操作工勞動強度，并通過對燃氣成份、溫度、料層高度等參數的監測，實現氣化過程的自動控制。

（3）、研究與之相適應的燃氣凈化裝置，形成配套合理、運行方便、安全可靠的氣化機組，使送到用戶的燃氣中焦油等雜質降低到國家有關城市煤氣的標準以內。實現秸稈氣化機組的更新換代。

2．預期達到的水平及技術經濟指標

氣化效率≥75％

燃氣熱值≥5MJ/Nm 3

凈化后燃氣中焦油和灰塵含量≤10mg/Nm 3

（二）工業生物質垃圾熱解氣化及利用技術研究

1．關鍵技術、技術創新點

根據兩步法氣化原理， 利用熱解技術燃料適應性廣的優點，將品質不同、形態各異的低質生物質原料經過先熱解再氣化或燃燒的工藝路線，生產高品質燃氣或高溫煙氣，用作生產或生活熱源。

（1）熱解反應器：研究適合低質生物質原料的熱解工藝參數和工藝措施，以提高燃氣品質。熱解所需熱量來自部分熱解產物的燃燒。

（2）熱解產物的再裂解和氣化：在高溫下將熱解產物送入氣化器，組織焦油再裂解和炭氣化所需的高溫場，并保證反應層的穩定，以獲得熱值較高、焦油含量較低的燃氣。熱解反應器和氣化設備的合理組合形式，使物流連續穩定，反應條件適宜，是保證整個裝置安全穩定運行的關鍵。

（3）熱解產物的燃燒：當終產品為熱煙氣時，可將熱解產物通過適宜的燃燒裝置*燃燒，以獲得高溫熱煙氣，其技術關鍵是研究合理的燃燒形式，使熱解氣、炭和焦油三相產物均得到良好的燃燒。

2．預期達到的水平及技術經濟指標：

燃氣熱值： ≥8.05MJ/Nm 3

燃燒中焦油及灰塵含量： ≤20mg/Nm 3

裝置終效率 ≥60％

五、項目的社會環境效益、經濟效益及推廣應用前景

社會環境效益：

生物質氣化技術可將廢棄的秸稈、工業生物質垃圾轉換為清潔的燃氣，實現了低質原料的次利用。在農村作為炊事燃氣，可使農民用上方便清潔的氣體燃料，生活方式可發生重大轉變，提高生活舒適文明程度，節省用于炊事的勞動量和時間，并使環境和庭院衛生有較大改觀，同時氣化燃氣作為生活燃氣或工業燃料還可節約大量的石油、煤炭等商品能源，減輕對商品能源的需求壓力。

生物質氣化技術為廢棄的農作物秸稈和蔗渣、中藥渣等工業垃圾的利用帶來了新出路，一方面可減輕秸稈直接焚燒產生的大氣污染，在已建的氣化集中供氣工程的村莊中，焚燒秸稈的現象已基本杜絕，另一方面，可解決蔗渣、中藥渣、糠醛渣等工業垃圾堆放、挖坑填埋等造成的環境污染，從而產生較大環境效益。

經濟效益：

（1）直接經濟效益：生物質氣化技術的大力發展將會帶動包括設備生產和系統建設等產業的發展，zui終每年可形成年產值數十億元的產業規模，形成新的社會經濟增長點。

（2）采用生物質氣化燃氣作為生活能源或工業燃料，可節約大量的商品能源，如一個200戶的農村，全部采用生物質燃氣，經折算每年可比省柴灶節省秸稈資源200噸，替代商品能源，如煤炭190噸或液化氣36噸，而且每戶農民每月只需15元左右的燃氣費用，比采用煤或液化氣節約數十元的費用。而在造紙廠或蔗糖廠、中藥廠等企業，若將企業生產過程中，產生的固體生物質垃圾通過熱解氣化后，作為工業燃料，一方面可替代部分商品能源，另一方面可省掉搬運垃圾的人工及運輸費用，從而降低企業的生產成本，增加企業利潤，為企業帶來可觀的經濟效益。

由于生物質氣化項目有著良好的社會環境和經濟效益，因而有著良好的市場前景。