生物质气化技术和气化炉研究进展

第1期(上)刘作龙等:生物质气化技术和气化炉研究进展21·综述与述评·生物质气化技术和气化炉研究进展刘作龙,孙培勤,孙绍晖,陈俊武(郑州大学化工与能源学院,河南郑州450001)摘要:简单介绍了生物质气化的基本原理及生物质气化炉的分类,阐逑了不同类型气化炉的特点及技术指标。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。关键词:生物质;气化炉;气化;综述中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1003-3467(2011)01-0021-04Present Research Status and Development of Biomass GasificationTechnologies and gasifiersLIU Zuo-long, SUN Pei-qin, SUN Shao-hui, CheN Jun-wuSchool of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University 450001, China)Abstract: The basic principles and classification of biomass gasification are introduced, the characteristicsand technical indicators of different types of gasifiers are described. The technology research and applica-tion of biomas gasification in gas supply, heating supply, power generation domestic and overseas is illustrated. This paper focuses on the gasifier that can be used to large-scale biomass gasification syntheticiquid fuels. The problems that the biomass gasification technology needs to solve and the research direc-tion which the biomass gasification field at are pointed out.Key words: biomass; gasifier gasification review源是人类赖以生存和发展的基础,随着社会全燃烧使生物质裂解,变成小分子量的CO0、H2、经济的快速发展,人类对能源的需求也越来越大。CH4等可燃性气体,在转换过程中要加入气化剂大量的开采和使用化石能源会污染环境和破坏生态(空气、氧气或水蒸气)。由于生物质的特殊性质,平衡,开发和利用清洁的可再生能源已经迫在眉睫,在气化前还需要经过干燥、破碎和切片等预处理过生物质是可以转化为液体燃料的环境友好的可再生程。经预处理的物质在气化炉中约于600℃下能源,是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源发生热解反应,生成的气体中包括解离气体、气化的消费总量第四位的能源。生物质气化技术是清挥发分、H2、CO、CO2焦油和水蒸气。由于生物质洁高效利用生物质能的有效途径之一,生物质气化中的挥发分含量(70%~80%,干基)远高于煤炭技术除了可以用于发电供气、供热等方面外,还可(30%),所以生物质气化的热解反应比煤炭更为重以用于将各种生物质能转化成为高品位的液体燃要。挥发分在气相中的热裂化反应可降低焦油料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1生物质气化原理H2、C算气体土姑化的住岩燃烧为热解反应生物质气化是指将固体生物质加热,进行不完提供中国煤化工CNMHG收稿日期:2010作者简介:刘作龙(1984-),男硕士研究生;通讯作者:孙培勤(1963-),女教授电话:(0371)67781755河南化工22HENAN CHEMICAL INDUSTRY2011年第28卷厂和商业应用规模的气化炉(见表1)。生物质气化2生物质气化技术的国内外发展现状领域处于领先世界水平的国家有瑞典、丹麦、奥地2.1国外生物质气化技术发展概况利、德国美国和加拿大等。瑞典和丹麦正在实行利生物质气化技术早在18世纪就已出现第二次用生物质进行热电联产的计划使生物质能在转换世界大战期间,为解决石油燃料的短缺,用于内燃机为高品位电能的同时满足供热的需求,可以大幅度的小型气化装置得到广泛使用。20世纪五六十年提高其转换效率。美国在利用生物质能发电方面处代,煤炭和石油等化石能源的广泛应用,使能源短缺于世界领先地位。目前,美国生物质发电装机总容问题得到暂时性的缓解。由于生物质气化技术的不量已达10500MW,70%为生物质一煤混合燃烧气完善和利用率低等原因,生物质气化技术的发展和化技术,单机容量30-100MW发电成本3-6美应用产生了延滞。20世纪70年代,受石油危机的分/(kW·h),预计到2015年美国生物质发电装机影响,世界各国再一次深该认识到化石能源的不可总容量将达16300MW。美国在生物质气化合成再生性,重新开始了对生物质能源的开发和研究乙醇方面取得了很大的成就。欧盟国家在生物质气经过几十年的发展欧美等国的生物质气化技化合成柴油方面取得了很大的成就。2004年欧盟术取得∫很大的成就。生物质气化设备规模较大,国家的生物质气化合成柴油的产量达到224万t,德自动化程度高,工艺较复杂,主要以供热、发电和合国是欧盟最大的生物质气化合成柴油生产国,2004成液体燃料为主,目前开发了多系列已达到示范工年的生产能力达到了109.7万t。表1国外气化炉应用情况一览气化炉类型原料效率/%规模/t·d-l应用美国 Taylor双流化床气化炉可降解垃圾和废木料发电效率35~40300~400热电联产美国 Salvages双流化床气化炉发电效率35~40热电联产和柴油美国 Range Fuels气流床气化炉林业废弃物、木材热效率75乙醇或混合醇美国 Pearson气流床气化炉废木料、锯末、稻杆等热效率70.5乙醇或混合醇德国 CHOREN气流床气化炉能源作物、木材热效率90.5合成柴油丹麦 Carbona鼓泡流化床发电效率28100~150热电联产芬兰mT循环流化床林业废弃物和副产物合成柴油芬兰 Foster循环流化床塑料、木材、轮胎、枕轨热电联产瑞典 CHRISGAS循环流化床木材、秸秆热电联产德国Uhde循环流化床气化效率81燃料油加拿大 Plasco等离子体气化炉MSW、塑料热效率75发电美 InEnTec等离子体气化炉轮胎炉渣医疗废物218热电联产氡气、甲醇和乙醇2.2我国生物质气化技术发展概况户用、集中供气和供热等方面取得了一定的环保和我国对生物质气化研究起步较晚始于20世纪经济效益。生物质气化发电方面:80年代初期,我80年代。经过近30年的努力我国生物质气化技术国自主研制了由固定床气化器和内燃机组成的200取得了较大的进步,我国自行研制的集中供气、发kW稻壳发电机组并得到推广;中国农机院、中国林电、户用气化炉等产品已进入实用化试验及示范阶科院分别在河北、安徽建立了400kW气化发电机段形成了多个系列的气化炉(如下页表2所示),组3;胜利油田动力机械有限公司成功研制了功可满足多种物料的气化要求,在生活用能发电供率190kW的180F-RFm型秸秆气发电机组”;暖等领域得到应用。但其容量多是小型的大容量广州能源所以木屑和木粉为原料应用循环流化床气的气化设备仍处于实验室研究阶段。在供气、供暖化技中国煤化工气化发电系统的方面:中国农业机械化研究院研制的ND系列和锥开发CNMHG也取得一定成就形流化床、山东科学院能源研究所研制的XFL系广州能配所已成力饼制」管成宋油中试装置和年产列、广州能源所研制的的CSQ系列固定床气化炉在百吨级生物质气化合成DME的中试装置。第1期(上)刘作龙等:生物质气化技术和气化炉研究进展表2国内生物质典型气化炉情况一览气化效率热值气化炉类型规模应用研究单位上吸式GSQ-100755.01080~2630MJh供热中科院广州能源所下吸式ND系列65~754.8~6.1500-650M/h供热中国农业机械化研究院下吸式HQHD-2804.5~5.010m3/h户用气化中国农业机械化研究院下吸式XFL100~500户集中供气山东能源研究所热箐式气化炉8.0~10.0热电联产南京工业大学能源学院LZ干馏热解气化炉28.814.01000户集中供气大连市环科设计研究院GB-210W-22000型干馏气化热解气化炉10040U/d城市生活垃圾处理上海万强科技开发有限公司锥形流化床气化炉67.54.0-6.03 MW中国林业科学研究院林产化学工供电供气供热业研究所下吸式固定床气化炉755.5-6.50.05MW发电辽宁市能源所流化床气化炉中科院广州能源所3.3气流床气化炉(EF)3气化炉发展现状已被粉碎的原料和被加压的气化剂(氧气或水气化炉是生物质气化系统中的核心设备,生物蒸气)从塔顶同时进入气化炉。塔顶部的湍流火焰质在气化炉内进行气化反应生成合成气。生物质燃烧部分原料为整个气化过程提供足够的热量,气气化炉可以分为固定床气化炉、流化床气化炉气流化炉内的温度达到1300℃。气流床的特点:合成床气化炉(EF)及等离子体气化炉( Plasma)等类型。气出炉的温度可达1300℃,大部分焦油可在半焦3.1固定床气化炉气化过程中裂化,出炉的合成气中几乎不含焦油;气固定床气化炉中气化反应是在一个相对静止的化炉壁上的灰融物可当作熔渣除去-1。物料床层中进行,即物料相对于气流来说,是处于静3.4等离子体气化炉止状态。物料在炉内基本上是有层次的分为四个阶原料从塔顶进入气化炉,接触到常压、温度为段,即干燥阶段、热解阶段、燃烧阶段、还原阶段。固500-1500℃的由电生成的等离子体后原料中有定床气化炉的炉内反应速度较慢。根据炉内气化剂机物转化为高质量的合成气,无机物变成玻璃化的的流动方向,可将固定床气化炉分为四类2:上惰性熔渣。这种炉的气化效率很高得到不含焦油吸式、下吸式横吸式和开心式。固定床气化炉的优的合成气。等离子弧也可以用于净化合成气。点:气化炉结构简单、投资少、运行可靠操作比较容气化炉是气化过程的最关键设备,选择用于生易,对原料的种类及粒度要求不高。缺点:固定床气产液体燃料的生物质气化炉时需要从五个方面进行化炉通常产气量比较小,多用于小型气化站、小型热考虑:对原料的要求生产合成气的质量研发状态电联产或户用供气,不适合大规模的生产和操作经验、规模放大的潜力、成本。综合分析可用3.2流化床气化炉于合成液体燃料气化炉的性能比较如下页表3所颗粒状的物料被送入炉内,并掺有精选的惰性。常用的生物质大规模气化制合成气的气化炉主材料(砂子和橄榄石等)作为流化床材料,在炉体底要有BCL( battelle双流化床气化炉和mG( Institut部以较大压力通入气化剂使炉内呈沸腾、鼓泡等不 of Gas Technology)鼓泡流化床气化炉,还有同状态物料和气化剂允分接触发生气化反应。按 CHOREN公司新开发的Cabo-V气流床气化气化炉结构和气化过程,可将流化床气化炉分为鼓炉。泡流化床(BFB)、循环流化床(CFB)及双流化床BCL气化炉是常压间接加热的双流化床气(Da)(各气化炉的技术指标见下页表3)1l流化好V凵中国煤化工气化炉由流化床化床气化炉的优点:温度稳定均匀:使用燃料颗粒很气化CNMHG经过干燥的生物质细小,传热面积大;气化效率高适用于连续运转适原料从气化反应器下部进入,从底部通入蒸汽作气合大规模的商业应用化介质蒸汽与木材比(质量比)为0.4使用合成河南化工24HENAN CHEMICAL INDUSTRY2011年第28卷表3各种气化炉技术指标的比较类型原料要求合成气质量发展现状规模放大潜力成本粒径<1mm,含水量菲常低的CH,C:若灰规模B装置有建成非常大的气花亥率高,若减<15%,低灰分和焦油含量,高含量建设的经验,大量的气化炉和工厂的少昂贵的预处理H2 CO工业实践可能性费用,价格降低粒径50-150mm,含存在C、焦油,吹氧过去用于产热和发可能较高的气化水林10%-51灰时,高含量H1、CO,电中度的放大,有有很多大的工程炉投资和低的效分敏感有颗粒物应用的潜力计划CFB★★★★★★量5%-69%,灰分时高含量H、CO,方面研发经验,很少有很多大的工程可能较高的气化有颗粒物的BL方面研发计划Dual★★★粒径<75mm,含水存在C2焦油高H2很少和小型的研发,有一些工程计划,潜在较低的合成量10%~50%,灰分含量,高含量CH4,发展初期,近期才有只是中等规模气生产成本有颗粒物BL应用的潜力Plasma★★★★无特殊要求没有C1C和焦有些开发和许多中小模的非常高的投资,低油,高含量H2和CO发电方面的应用注:对每个类型各項性能进行比较时:★最差,★★★★最好。橄榄石作为流化介质和热载体在气化反应器和半焦燃烧器之间循环4结束语ICT气化炉1是吹氧式、高压鼓泡流化床气化经过了30年的研究和开发,我国的生物质气化炉,因反应气体中含氧高,燃烧部分生物质提供热技术在集中供气、供热发电方面进入到示范应用研量不需另加入能量;如果改用空气送氧,生成气中究阶段,并探索了生物质气化合成液体燃料、制氢的还含一定量的氮气。IGT压力气化炉在提高蒸汽用技术;但是和欧美等发达国家相比我国的气化技术量后可按“最大氢气量”模式操作,CT压力气化炉还有很大的差距。在气化技术方面还存在许多问生产的合成气含CO2较高(30%-35%,干基)。合题:规模小气化效率低、合成气热值低焦油含量较成气中的甲烷组分可经过重整生成氢气,也可直接高、经济效率低等问题。生物质气化技术需要解决用作透平燃料;生成气的H2/CO=1.4/1。的关键技术问题及未来发展方向主要包括:大力开Carbo -V4气流床气化炉经过预处理的生物发气化效率高、产气热值高的气化炉技术;开发新的质原料首先在回转式气化炉中进行低温气化,生成焦油脱除技术,降低合成气中的焦油含量;流化可燃气和焦炭组分。含焦油的可燃气体经过烧嘴进床气化炉具有较好的经济效益和放大的潜力流化人 Carbo-Ⅴ高温气化炉,从炉顶送人预热的空气床气化炉技术为我国今后生物质气化研究的主要方氧气。低温气化生成的焦炭也送入Cabo-V高温向;开发规模较大的流化床气化炉技术,为以后大规气化炉中部,最终生成不含焦油的合成气。CatbV气化炉的优点:合成气中不含焦油,无需采用催化模的生物质气化合成液体燃料提供基础参考文献:净化处理;气化效率较高,达到80%以上;合成气可用作发电燃料发电效率可达40%;原料来源广泛,[1]周中仁,吴文良生物质能研究现状及展望[]农业工程学报,2005,21:12-15可加工各种干燥后的含碳原料;可将灰分转化为适(2) Want K W. Status of biomass gasification in countrie用于建筑材料的熔渣颗粒;合成气中的氢含量高,每千克原料产氢1.2m3。2008年在德国建立了年产中国煤化工Tak3J. Biomass合成柴油1500的商业工厂,我国也在2008年9引3]CNMH飘叩聊,丁,形流化床生物质气化进该技术建立了以煤为原料的25000MW的发电技术和工程[J].农业工程学报,200,22(1):21l第I期(上)李娟等:甲醇下游产品的开发和利用甲醇下游产品的开发和利用李娟,张锡兰,郭泉辉(河南大学化学化工学院催化过程工程实验室,河南开封475004摘要:列举了近年来甲醇下游产品的开发应用情况,并根据河南省的实际情况,提出了甲醇下游产品综合开发和利用的一些建议关键词:甲醇;下游产品;开发;利用中图分类号:TQ223.12文献标识码:A文章编号:1003-3467(2011)01-0025-04Development and Application of Methanol Following ProductsLI Juan, ZHANG Xi-lan, GUO Quan-huiversity, Kaifeng 475004, China)Abstract: The development and application of following products of methanol are mentioned. Some sugges-tions of comprehensive explotation and utlization of methanol are given on the basis of the specific realityof Henan ProvinceKey words: methanol following producti development; application[4]张颖欧美国家生物质能产业的发展思路对我国的laboratory richland[C], WA, 2006.9启示[J].管理纵横,2010,(3):10-11[14]陈俊武,李春年,陈香生,石油替代综论[M].北京[5] Review of Technologies for Gasification of Biomass and中国石化出版社,2009,Wastes Final report NNFCC project 09/008. A project [15] A vander Drift, H Boerrigter, B Coda, et al. Entrainedfunded by DECC, project managed by NNFCC and con-flow gasification of biomass[ C]. ECN-C-04-039ducted by EATech[ C], 2009. 92004.4.[6]邓先伦,高一苇,许玉,等生物质气化与设备的研[16] Matthias R. Biomass to liquids(BTL) from the Carbo-V究进展[J].生物质化学工程,2007,41(6):37-41process: technology and latest development, 2nd word[7]阳永富,申青连,段继宏,等.生物质气化发电技术onference and exhibition[C]. Rome, Italy, 2004.5J].内燃机与动力装置,2006,、(4):48-52[17]S Phillips, A Aden, J Jechura, et al. Thermochemical eth-[8]吴正舜,吴创之,郑舜鹏,等4MW级生物质气化发电anol via indirect gasification and mixed alcohol synthesis示范工程的设计研究[J]能源工程,2003,14-17of lignocellulosic biomass[ C ]. technical report NREL/[9]吴正舜,吴创之,郑舜鹏,等MW级谷壳气化发电的操TP-510-4l168,2007.8作特性研究[J].电站系统工程,2004,20(1):13-15[18 A Dutta, SD Philips. Thermochemical ethanol via direct[10]生物质能研究中心生物质气化联合循环发电示范gasification and mixed alcohol synthesis of lignocellulosicA5[eb/ol].http://www.giec.cas.cnjgsz/kybm/biomass[C]. Technical Report NREL/TP-510swznyJ2020090/200907142078308.htn45913,2009.7.[〕袁振宏,吴创之,马隆龙,等.生物质能利用原理与技[19】 Purdue. Universit. CHOREN industries company pres术[M].北京:化学工业出版社,2005entation C]. Christopher Peters CHOREN, USA, Hous[12]陈冠益,高文学,颜蓓蓓,等.生物质气化技术研究现中国煤化工状与发展[J]煤气与热力,2006,26(7):20-26.[20]CNMHG[13] Dr Richard, L Bain. Biomass gasification. USDA thermo-s Report ZUyL」.ECN-Ehemical conversion workshop pacific northwest national2009.6