生物质气化及生物质与煤共气化技术的研发与应用

转化利用

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生物质气化及生物质与煤共气化技术的研发与应用

徐春霞,徐振刚,步学朋,董卫果,戢绪国,杨宗仁

(煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院,北京100013)

摘要:总结了生物质原料的特点及生物质单独气化的缺点;介绍了国内外生物质气化技术及生物质与煤共气化技术的研发与应用现状;分析了在此领域国内外的发展趋势与前景;概括了开展生物质与煤共气化技术研发的意义。

关键词:生物质;煤;共气化;协同效应

中图分类号:TQ54 文献标识码:A 文章编号:1006-6772(2008)02-0037-04

生物质包括植物、动物及其排泄物、垃圾及有机废水等几大类。与煤炭相比,生物质原料具有如下特点:¹挥发分高而固定碳含量低。煤炭的固定碳一般为60%左右;而生物质原料特别是秸秆类原料的固定碳在20%以下,挥发分却高达70%左右,是适合热解和气化的原料。º原料中氧含量高,灰分含量低。»热值明显低于煤炭,一般只相当于煤炭的1/2~2/3。¼低污染性。一般生物质硫含量、氮含量低,燃烧过程中产生的SO2、NOx较低。½可再生性。因生物质生长过程中可吸收大气中的CO2,其CO2净排放量近似于零,可有效减少温室气体的排放。¾广泛的分布性。

生物质气化是生物质利用的重要途径之一。生物质气化技术已有一百多年的发展历史,特别是近年来,对生物质气化技术的研究日趋活跃。但生物质单独气化存在一些缺点。首先,生物质的产生存在季节性,不能稳定供给;其次,由于生物质处理后形成的颗粒具有不规则性,在流化床气化炉内不易形成稳定的料层,需要添加一定量的惰性重组分床料如河砂、石英砂等

[1~4]

述缺陷,同时在碳反应性、焦油形成和减少污染物排放等方面可能会发生协同作用

[5]

。

1 国外的研究与应用情况

(1)生物质气化发电

生物质气化及发电技术在发达国家已受到广泛重视,如美国、奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威和瑞典等国家生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位,美国建立的Battelle生物质气化发电示范工程代表生物质能利用的世界先进水平。奥地利成功地实施了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划,生物质能在总能耗中的比例由原来大约2%~3%增到目前的25%,该国现已拥有装机容量为1~2MWe的区域供热站80~90座。瑞典和丹麦正在实施利用生物质进行热电联产的计划,使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求,以大大提高其转换效率

[6]

。日本资源能源厅调查结果

显示,2001年日本有83家生物质废弃物发电厂,形式为废弃塑料等与重油等化石燃料混烧发电,2003年又投资约1415亿日元建设了发电量为3MW的生物质发电项目,年利用林业和建材业废旧材料519万t

[7,8]

;第三,生物质单独气化时

生成较多的焦油,不仅降低了生物质的气化效率,而且对气化过程的稳定运行造成不利影响。生物质与煤共气化不仅可以很好地弥补生物质单独气化的上

收稿日期:2007-11-20

。菲律宾、马来西亚以及非洲的一些国家,

基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助(2007AA05Z324)

作者简介:徐春霞(1982-),女,山东日照人,煤炭科学研究总院在读硕士,从事煤组成、结构与加工利用性质的研究。 37

转化利用

都先后开展了生物质能的气化、成型、热解等技术的

[6]

研究开发,并实现了工业化生产。

(2)生物质燃气区域供热

[9,10]

度降到15%后,粉碎加入加压流化床气化炉中。气

化剂采用氧气和水蒸气的混合气体,反应温度为750~950e。气化后可燃气体组分为:35%CO,32%H2,6%~8%CH4,22%CO2。气化每吨泥炭需氧气290Nm,需水蒸气160kg。该厂还用泥炭与木屑的混合物作原料进行过气化试验,也获得了成功。

(5)生物质与煤共气化,由于灰分和硫含量低,挥发分含量高且反应性高,生物质与低阶煤共气化如能产生协同作用就可能产生低热值气体来增加产品的附加值。为此,研究二者的协同效应是热点之一。Collot等,Pan等研究认为煤与生物质简单混合共热解时,两者并不能产生协同作用。Sjostrom等

[13]

[11]

[12]

3

,利用类似于传

统固定床气化炉的上吸式气化炉生产生物质可燃气,用于区域供热已达到了商业化水平。用于区域供热的生物质气化设备已在芬兰、瑞典各地运行。

气化炉以泥炭、木片或木材加工过程产生的废弃物为原料。设备工作性能稳定可靠,转换效率高,对原料湿度和粒度要求宽松。通过调节气化剂中水蒸气的含量来控制氧化层的反应温度,可避免反应物料出现烧结现象。可燃气中焦油含量虽然较高,但是通向燃烧器的管道既粗又短,不易出现堵塞现象,因而系统不须安装焦油过滤装置。焦油及气化炉产生的可燃气可在后面的燃气锅炉等燃烧器中直接燃烧,既充分利用了焦油的能量又避免了管道堵塞等问题,因而通常不需要高效气体净化和冷却系统,系统相对简单,热利用率高。

(3)水泥厂供燃料与发电并用的生物质气化站,意大利已建成一座生物质气化站,此气化站是欧洲较大的生物质气化站之一。站内所用燃料是2种有机质颗粒的混合物,一种颗粒用城市垃圾中轻质可燃物制成,另一种颗粒用农业生产废弃物制成,这2种颗粒均由当地颗粒燃料加工厂制作。该站与一个水泥厂毗邻,气化站内有2台循环流化床气化炉。1号气化炉生产的可燃气全都被用作水泥厂的生产燃料;2号气化炉生产的可燃气部分被用作水泥厂的生产燃料,部分被用于气化站内发电。用于发电的可燃气与天然气同时通往蒸汽锅炉,此蒸汽推动汽轮机带动发电机发电,发电功率为218MW。

[9,10]

(4)生物质气化合成化学品,生物质气化合成化学品是指经气化炉中产生的中热值燃气,通过一定的工艺合成为化学制品,目前主要是合成甲醇和氨。

近几年来,欧盟开发了木料气化制甲醇技术,已建成4个示范工厂气化规模为418~12t(干木)/d,气化炉均为流化床气化炉,用水蒸气、氧气或空气作气化剂,产出中热值可燃气。生物质气化合成甲醇的技术目前已达到了可商业化应用的阶段,但其产品的经济性尚不能与石油化工和煤化工相竞争。

芬兰已建成一座生物质气化合成氨示范工厂,此厂是世界上第一个以泥炭为原料,采用气化合成氨的方法来生产化肥的厂家。其工艺是将湿度为40%的泥炭,经低压蒸汽干燥(压力014MPa),使湿 [9]

在加压流化床反应器中,进行了700

~900e,014MPa富氧气氛下,波兰煤和桦树共气化

实验,发现焦的产率比单一物料的低,气体产率提高;但是在115MPa的压力下这些现象不再出现。McLendonTR等

[5]

在灰团聚流化床中试气化装置

中分别进行了次烟煤和烟煤与木屑的共气化实验,生物质的最高质量掺混比例为35%,气化压力310MPa。试验结果表明次烟煤与木屑混合物共气化时没有显著的协同作用产生,而烟煤与生物质混合物在共气化中产生了显著的协同作用;但2种煤与生物质混合物的流化性能与单一煤相比都有显著提高。Collot等在固定床和流化床中,分别进行了煤与银杉木的共热解及共气化实验,在共热解实验中均未观察到协同效应的存在;但是1000e所制混合焦,在固定床燃烧实验中的反应性是单一煤焦的2倍,这显示了一种协同作用;而在流化床实验中未观察到显著的协同作用,认为协同作用与生物质和煤颗粒间的接触有关。SjostromK等

[14]

[11]

分析煤

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