生物质气化原理和生物质气化发电技术
2022-01-22
介绍了国内外生物质气化技术在集中供气、供热和发电方面的发展现状和应用情况，重点介绍了适用于大规模生物质气化合成液体燃料的气化炉；指出了生物质气化技术需要解决的问题，提出了我国在生物质气化领域的重点研究方向。
能源是人类赖以生存和发展的基础，随着社会经济的快速发展，人类对能源的需求也越来越大。大量的开采和使用化石能源会污染环境和破坏生态平衡，开发和利用清洁的可再生能源已经迫在眉睫，生物质是可以转化为液体燃料的环境友好的可再生能源，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源。生物质气化技术是清洁高效利用生物质能的有效途径之一，生物质气化技术除了可以用于发电、供气、供热等方面外，还可以用于将各种生物质能转化成为高品位的液体燃料。
一、生物质气化原理
生物质气化是指将固体生物质加热，进行不完全燃烧，使生物质裂解，变成小分子量的CO、H2、CH4等可燃性气体，在转换过程中要加入气化剂(空气、氧气或水蒸气)。由于生物质的特殊性质，在气化前还需要经过干燥、破碎和切片等预处理过程。经预处理的生物质在气化炉中，约于600℃下发生热解反应，生成的气体中包括解离气体、气化的挥发分、H2、CO、CO2、焦油和水蒸气。由于生物质中的挥发分含量(70%～80%，干基)远高于煤炭(30%)，所以生物质气化的热解反应比煤炭更为重要。挥发分在气相中的热裂化反应可降低焦油量，热解反应的副产物是生成不挥发的焦炭和灰分。在气化炉中的第二反应为焦炭与氧气、蒸汽反应，生成H2、CO、CO2等气体，未转化的焦炭燃烧为热解反应提供所需的热量。
二、生物质气化技术的国内外发展现状
1、国外生物质气化技术发展概况
生物质气化发电技术早在18世纪就已出现，第二次世界大战期间，为解决石油燃料的短缺，用于内燃机的小型气化装置得到广泛使用。20世纪五六十年代，煤炭和石油等化石能源的广泛应用，使能源短缺问题得到暂时性的缓解。由于生物质气化技术的不完善和利用率低等原因，生物质气化技术的发展和应用产生了延滞。20世纪70年代，受石油危机的影响，世界各国再一次深该认识到化石能源的不可再生性，重新开始了对生物质能源的开发和研究。经过几十年的发展，欧美等国的生物质气化技术取得了很大的成就。生物质气化设备规模较大，自动化程度高，工艺较复杂，主要以供热、发电和合成液体燃料为主，目前开发了多系列已达到示范工厂和商业应用规模的气化炉。
生物质气化领域处于领先世界水平的国家有瑞典、丹麦、奥地利、德国、美国和加拿大等。瑞典和丹麦正在实行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，可以大幅度提高其转换效率。美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位。目前，美国生物质发电装机总容量已达10500MW，70%为生物质—煤混合燃烧气化技术，单机容量30～100MW，发电成本3～6美分/(kW·h)，预计到2015年美国生物质发电装机总容量将达16300MW。美国在生物质气化合成乙醇方面取得了很大的成就。欧盟国家在生物质气化合成柴油方面取得了很大的成就。2004年欧盟国家的生物质气化合成柴油的产量达到224万t，德国是欧盟最大的生物质气化合成柴油生产国，2004年的生产能力达到了109．7万t。
2、我国生物质气化发电技术发展概况
我国对生物质气化研究起步较晚，始于20世纪80年代。经过近30年的努力我国生物质气化技术取得了较大的进步，我国自行研制的集中供气、发电、户用气化炉等产品已进入实用化试验及示范阶段，形成了多个系列的气化炉，可满足多种物料的气化要求，在生活用能、发电、供暖等领域得到应用。但其容量多是小型的，大容量的气化设备仍处于实验室研究阶段。
生物质气化发电方面：80年代初期，我国自主研制了由固定床气化器和内燃机组成的200kW稻壳发电机组并得到推广；中国农机院、中国林科院分别在河北、安徽建立了400kW气化发电机组；胜利油田动力机械有限公司成功研制了功率190kW的180GF－RFm型秸秆气发电机组；广州能源所以木屑和木粉为原料应用循环流化床气化技术，完成发电能力为4MW的气化发电系统的开发。在合成液体燃料方面也取得一定成就，广州能源所已成功研制了合成柴油中试装置和年产百吨级生物质气化合成DME的中试装置。
三、结束语
经过了30年的研究和开发，我国的生物质气化技术在集中供气、供热、发电方面进入到示范应用研究阶段，并探索了生物质气化合成液体燃料、制氢的技术；但是和欧美等发达国家相比我国的气化技术还有很大的差距。在气化技术方面还存在许多问题：规模小、气化效率低、合成气热值低、焦油含量较高、经济效率低等问题。
生物质气化技术需要解决的关键技术问题及未来发展方向主要包括：大力开发气化效率高、产气热值高的气化炉技术；开发新的焦油脱除技术，降低合成气中的焦油含量；流化床气化炉具有较好的经济效益和放大的潜力，流化床气化炉技术为我国今后生物质气化研究的主要方向；开发规模较大的流化床气化炉技术，为以后大规模的生物质气化合成液体燃料提供基础。
