生物质气化工艺技术应用与进展

2022-09-27

一、前言

当前, 再生能源的开发与利用已经成为各国越来越关注的课题, 主要是随着科技的发展, 各国对能源的需求越来越多, 而化石燃料的总量逐年减少, 同时, 化石燃料还带来越来越严重的环境问题, 因此再生能源替代传统化石燃料已经成为必然趋势。生物质能是存在相当广泛的一种洁净的可再生能源并逐渐成为人们研究和关注的焦点。地球上的植物在光合作用之下, 每年能生成总量约为1440亿吨至1800亿吨的生物质能, 相当于3×1021k J的能量, 约为现在世界能源总耗的十倍左右。因此, 生物质能源具有取之不尽、用之不竭的物质基础。我国是农业大国, 因此我国的生物质能源相当丰富, 单农作物秸秆的产量每年就有7亿吨。随着我国环境越来越恶劣, 能源越来越紧张, 生物质气化技术的出现为我国解决能源问题开辟了一条新的道路, 显示出了十分广阔的应用前景。本文就生物质气化工艺进行了简单介绍, 并对其应用和进展进行了简要概述。

二、生物质气化工艺

1. 原理

生物质在氧气或者含氧物做气化剂的条件下经过高温发生可燃反应, 从而部分转化为可燃气, 例如一氧化碳、氢气、甲烷等, 这个过程就是生物质气化的原理。生物质气化过程包括干燥、热解、氧化和还原几个步骤。干燥的目的是去除对生物质中的水分, 热解指固体燃料在加热初始阶段脱去挥发分或者发生热分解的过程, 这个过程仅仅需要数秒就能完成, 高温下所需时间会更短, 其中在300-400℃的温度范围内热解最剧烈。解析出来的气体有二氧化碳、一氧化碳、焦油、氢气等等。氧化反应主要是生物质中的碳与介质中的氧发生的反应, 该过程有大量的热量产生, 温度可高达1000-1200℃。还原过程中没有氧的参与, 主要是生产的二氧化碳同水蒸气发生还原反应, 该过程会吸收大量的热量, 因此温度一般在700-900℃。

2. 生物质气化工艺流程

生物质气化工艺有许多种形式。按照气化形式生物质气化工艺可以分为两大类, 即流化床气化和固定床气化。目前, 固定床气化已经生产出具有代表性的产品。固定床气化工艺的技术并不复杂, 操作和维护方面也十分方便, 但是存在处理量小, 无法进行连续生产, 因此较适合小规模的工业化生产。而流化床气化还能够划分为鼓泡床气化、循环流化床气化以及双流化床气化三类, 其中循环流化床气化发电系统的研究和应用最为广泛, 因为它融合了鼓泡气化炉的流化速度较慢, 反应时间充分等一些特点, 并且使炭进行循环使用, 并且能够进行能量回收, 增加了反应的温度, 并对传热传质过程有所强化, 也提高了燃烧速率。流化床技术先进、适用性广, 产量大, 能够连续生产, 因此比较适合中型或者中型以上规模的工业化生产。

三、生物质气化技术应用中存在的问题

在生物质气化技术应用的过程中, 在技术、设备等方面还存在一定的问题。首先, 焦油含量过多是生物质气化汽存在的一个主要问题, 容易导致气化机组中设备冷凝管或用气灶具的堵塞, 罗茨风机叶轮被焦油黏住等现象, 从而对气化系统的安全性以及可靠性产生严重影响, 也带来了额外的能源浪费。辽宁能源研究所研制的下吸式固定床生物质气化炉采用了特殊的喷嘴设计, 因此降低了一定的焦油含量, 取得比较理想的效果。其次就是储气柜的越冬问题。在我国北方地区, 冬季时间比较长, 因此要想保证气化站冬季运行, 就必须解决储气柜越冬的问题。传统的干式储气柜结构复杂, 造价也高;新出现的气囊式和简易式储气柜还需要进一步的考察。目前, 钟罩式的湿法储气柜的应用最为广泛, 但是抗冻性不好。本溪某市将湿法储气柜设置了透明保温罩, 并且放置在一定深度的地下, 既能够充分利用阳光, 同时能够保温, 取得了非常明显的越冬效果。

四、生物质气化的影响因素

影响生物质气化工艺的因素有很多。首先, 气化介质是影响生物质气化的主要因素。目前使用的气化介质主要有空气气化、空气-水蒸气气化、富氧气化以及水蒸气气化。其中, 空气气化所需的设备比较简单, 操作和维护比较简单, 运行成本较低。而富氧气化大大的增加了运行成本。其次是粒径大小的影响。有学者对流化床中松树锯末空气-水蒸气气化中不同粒径下气体组分的变化进行了研究, 表明甲烷、一氧化碳、乙烯、乙烷的体积随着粒径减小而增加, 二氧化碳则相反。因为随着粒径的增加, 气体扩散过程的影响也增加, 所以生物质气化需要根据气化方式选择合适的粒径。另外, 温度、压力、空气当量比也对生物质气化工艺有很大的影响。