生物質氣化綜合利用技術概述

高澤遠

（安徽華東化工醫藥工程有限責任公司，安徽 合肥 230000）

1 前言

人類的進步和社會的發展離不開能源，它是人類社會賴以生存的基礎，而隨著經濟快速發展，人類對能源需求也日趨增長，從工業時代的開啟至今，化石能源為人類社會帶來具大推動力，與此同時，隨著能源需求的激增，化石能源的使用導致生態環境的惡化也成了當今世界各國的共識，生存環境與自然環境的平衡問題促使人類社會必須開發新的可再生清潔能源來代替化石能源。

生物質能源，是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，是一種可再生能源，也是唯一一種可再生的碳源［1］。國家發改委能源研究所及各大科研院校共同研發的生物質氣化技術，利用農林廢棄的秸稈及枝葉等生物質作為能源原料，將能量密度低的固態生物質原料轉換成能量密度高便于使用的能源存在形式，使得農林廢棄的生物質變廢為寶，也更加有利于生態環境的良好發展。

2 生物質氣化工藝

2.1 生物質氣化工藝流程

生物質氣化屬于熱化學反應過程，其原理是生物質在高溫缺氧的條件下熱解［2］，熱解后的碳與供入的氣化介質（空氣、水蒸汽）發生氧化還原反應，最后生成含有一定量的CO、H2、CO2、N2、CH4、CnHm等混合氣體［3］。氣化反應生成的粗燃氣凈化處理除去焦油等雜質后即可得到相對清潔的可燃氣體，可送至發電鍋爐發電、供熱，同時各副產物可配套生產生物質炭基肥、水溶肥以及焦油。生物質氣化工藝流程詳見圖1。

圖1 生物質氣化工藝流程Fig.1 Process flow of biomass gasification

2.2 各個單元工藝流程概述

（1）生物質氣化單元。將水稻、玉米等農作物秸稈壓塊成型，成型粒度為30～50 mm，經具有除塵、計量、自控、篩選功能的皮帶輸送系統送至氣化爐上部適應生物質原料的料倉，然后通過自動加料機進入氣化爐，與爐下進入的氣化劑在爐內適宜溫度下反應，生物質原料被轉化為燃氣；出氣化爐的粗燃氣含有焦油、粉塵、水分等雜質，經洗氣塔噴淋冷卻，降溫至80 ℃以下。

（2）生物質燃氣凈化單元。制氣單元出來的生物質粗燃氣，經噴淋冷卻溫度在80 ℃以下，首先進入一級電捕焦油器，分離其中的大部分重分子焦油及粗雜質，然后進入間冷器，使燃氣溫度降至35～40 ℃，同時使燃氣中大部分水汽冷凝分離后，氣體再進入二級電捕焦油器，進一步除去剩余的輕分子焦油及細微顆粒物；使適應下段工藝的潔凈秸稈燃氣經增壓機送入生物質燃氣干式氣柜緩存，進而送至發電鍋爐發電、供熱［4］。

一級電捕焦油器和二級電捕焦油器分離出來的焦油在設備下部經水封槽引出至焦油池，通過初步油水分離、除味并進一步脫水后，由焦油泵送至焦油產品罐儲存［5］。

間冷器的冷卻水由冷卻循環水系統供給，塔底燃氣冷凝下來的酚水引入水池，其中一部分用于氣化爐灰盤裝置補水，一部分送至生產水溶肥，其余補充至循環水系統，達到系統水平衡，實現生產污水零排放。

氣化爐下部灰盤出來的灰渣通過皮帶機送至配套的炭基肥生產線進一步加工成生物質炭基肥。

3 生物質氣化主要危險因素及工藝安全設施

3.1 火災和爆炸危險

（1）氣化、凈化單元工藝過程中的生物質燃氣成分中主要有H2、CO、CH4、H2S 等易燃、易爆、有毒有害氣體，幾種氣體爆炸的上下限見表1。

表1 幾種氣體爆炸極限表Tab.1 Limit table of several gas explosion %

根據生物質燃氣組分含量及各組分的爆炸極限，計算得出生物質燃氣的爆炸極限為6.3%～65.2%，爆炸極限范圍廣，與明火接觸即可發生爆炸?；馂暮捅ㄖ攸c部位如下：生物質氣化爐在操作中最危險的燃燒爆炸因素是燃氣“透氧”，即生物質燃氣中氧含量超過0.5%，因此進入少量氧氣時易達到爆炸極限。在氣化爐、凈化設備、增壓機及輸送管道等易產生靜電、火花的地方易發生爆炸。

（2）秸稈儲料區域為火災危險性場所，長時間堆放秸稈易分解并發生自燃。

（3）焦油為可燃物，脫水后的焦油易發生火災。

3.2 中毒危險

氣化燃氣中含有較高的一氧化碳及少量的硫化氫，均為毒性氣體，一旦發生泄漏有中毒危險［6］。

3.3 工藝安全設施

（1）燃氣制氣。氣化鼓風機與凈化排送機連鎖，一旦鼓風機停車，排送機同時停車，以防止設備、管道內產生負壓。

（2）燃氣凈化。凈化系統中連接各設備的燃氣管道設置防爆板及安全水封，用于保護設備和管道。

（3）儲氣系統。設有安全聯鎖及放散，并緊急工況進行聯鎖保護。

（4）出灰系統?；以鼜臍饣癄t底自動落入到濕式灰盤，除去余火并降溫。

（5）可燃有毒氣體檢測系統。在生物質氣化、凈化、增壓及儲氣單元等區域設置可燃有毒氣體檢測報警裝置，一旦空氣中可燃有毒氣體濃度超標時，檢測器發出聲光報警，提醒操作人員及時檢查并處理。

4 生物質氣化核心設備固定床氣化爐選型

4.1 固定床氣化爐的工作原理

生物質氣化一般是利用空氣作為氣化劑，在密閉缺氧的條件下，采用熱解法及熱化學法產生主要成分為碳氫化合物的可燃性混合氣體。生物質氣化過程基本包括下列主要反應［7］：

典型的上吸式生物質固定床氣化爐的反應由為5個區組成，主要為干燥層、干餾層、還原層、氧化層、灰渣層。

固定床生物質氣化爐結構簡單，運行成本不高，同時操作過程對生物質原料質量要求不高，加工好的成型物料自上而下加入氣化爐，在爐體內發生熱化學反應，產生氫氣、其他可燃氣體及惰性氣體，并獲得維持反應的熱量。固定床氣化爐按照氣體流向可分為上吸式、下吸式［8］。

4.2 上吸式固定床氣化爐

上吸式生物質氣化爐的氣化劑由氣化爐底部進入，自下而上流動，為生物質氣化反應提供氧氣，符合反應溫度條件的生物質中的碳與氣化劑中的氧氣發生強烈的氧化還原反應，并消耗氣化劑中氧氣，氣化劑中的水蒸氣在高溫碳層中被分解成氫氣和氧氣，而氧氣又與碳反應生成一氧化碳、二氧化碳，并控制氧化層溫度在生物質灰熔點指標范圍內［9］。上吸式生物質氣化爐出口燃氣主要成分見表2。

表2 上吸式生物質氣化爐出口燃氣主要成分表Tab.2 Main components of gas at the outlet of updraft biomass gasifier

還原區將燃氣中CO2在該區還原成CO，并吸收熱量，因此還原區反應溫度永遠低于氧化層。同時氧氣消耗生物質中碳，氧化層生物質中碳含量逐步下降，直至耗盡成渣，該區域氣化劑中氧氣含量逐步上升，并進入原還原層使溫度上升，成為氧化層，火層上移，通過調節出渣速度，床層下移，從而保持氧化層相對穩定。因此上吸式生物質氣化爐燃燒充分完全，灰渣中殘碳少，氣化效率高，燃氣流動方向自下而上，所以便于物料的熱分解和干燥，由于生物質固定碳含量低，揮發分高，且揮發分在干餾層被高溫燃氣作用發生熱分解，隨燃氣帶出氣化爐，剩下的固定碳一部分發生氧化反應，產生氣化所需反應熱；氫氣的產生主要靠碳在一定溫度下與水蒸氣分解反應產生，因此上吸式氣化爐氫氣含量的百分比低。

上吸式生物質氣化爐更適用于含水率高的生物質物料，生物質燃氣在經過熱分解層和干燥層時，將熱量傳遞給物料，用于物料的熱分解和干燥，同時降低其自身的溫度，使爐子熱效率大幅提高；熱分解層和干燥層對燃氣有一定的過濾作用，所以出爐的燃氣中只含有少量灰分，適用于燃氣無需冷卻過濾便可以輸送到直接燃用的場合；爐子結構簡單，易加工制造，爐內阻力小。

但上吸式生物質氣化爐還存在固有的缺點：原料中水分不能參加反應，減少了燃氣中氫和碳氫化合物的含量，氣體與固體逆向流動時，物料中的水分隨產品氣體帶出爐外，降低了燃氣的實際熱值，增加了排煙熱損失；熱氣體從底部上升時，溫度沿著反應層高度下降，物料被干燥后與低溫度的氣流相遇，在低溫（250～400 ℃）下進行熱分解，導致焦油含量高，且與物料中被吹出的懸浮灰粒相互作用，易堵塞燃氣管道；氣體在凈化冷卻過程中產生的酚水，需配套相應酚水處理裝置。上吸式生物質氣化爐原理詳見圖2。

圖2 上吸式生物質氣化爐原理圖Fig.2 Schematic diagram of updraft biomass gasifier

4.3 下吸式固定床氣化爐

下吸式生物質氣化爐氣化劑在爐體內在鼓風機的作用下自上而下流動，并與生物質在氣化爐內移動方向一致，火層上部生物質受火層熱輻射作用，纖維素、木質素發生分解而析出大量含焦油芳香烴氣體，通過高溫氧化層時，被裂解成為小分子量烷烴類氣體，所以爐體出口的燃氣中焦油含量相對較少［10］。也正由于氣化劑運動方向與生物質移動方向一致，這種下吸模式中，氧化層承擔著分解干餾出來的焦油芳香烴氣體轉化成小分子量烷烴類氣體的任務，同時還要使干燥層受熱蒸發出來的水蒸氣轉化成氫氣，以上過程均為吸熱反應，因此氧化層溫度受到了一定的限制，為保證足夠的氣化反應溫度，對生物質含水提出了更高要求；從氧化層出來的燃氣氧氣，在高溫及生物碳存在條件下被消耗殆盡，隨著火層上部首先獲得氧氣的生物質被點燃，新的氧化層形成，氧氣被消耗，原氧化層下部逐漸缺氧，致氧化反應逐漸終止，由氧化層積蓄而來的熱量的還原層，在二氧化碳還原成一氧化碳吸熱反應的過程中溫度逐漸下降，最終失去反應熱量，大部生物碳被完整保存下來，因此灰渣中碳含量為40%～50%，氣化效率較低，氫氣含量稍低于上吸式氣化爐，下吸式生物質氣化爐出口燃氣主要成分詳見表3。

表3 下吸式生物質氣化爐出口燃氣主要成分表Tab.3 Main components of gas at the outlet of downdraft biomass gasifier

下吸式氣化爐的優點是：結構簡單，燃氣出口焦油含量低，氣化強度比上吸式高；工作穩定性好，適用得碳為目的小規模生產。缺點是：出爐的燃氣中含有的灰分較多，需除灰處理；出爐的燃氣溫度較高，需進行冷卻降溫處理。

下吸式生物質氣化爐原理詳見圖3。

圖3 下吸式生物質氣化爐原理圖Fig.3 Schematic diagram of downdraft biomass gasifier

5 結論

我國是一個農業大國，有著豐富的生物質能源，大力發展生物質氣化發電及副產生物質炭基肥、水溶肥技術對解決電力供應不足、提高生態肥料使用及減少生態環境污染等方面做出了貢獻。同時，生物質氣化技術也為能源的可持續發展開拓一條新的道路，對推進我國碳達峰、碳中和事業的發展，優化能源結構，大力發展清潔能源和可再生能源有著十分重要意義。