生物质气化发电技术
阳永富，孙龙，樊俊杰
（胜利油田胜利动力机械有限公司，山东 东营 257032）
摘要：随着人们对能源需求的日益增长，作为人类目前主要能源来源的化石燃料却迅速减少，而生物质能是一种重要的可再生能源,它分布广泛,数量巨大。但由于它能量密度低，又分散，收集和运输困难，所以难以大规模集中处理。另一方面随着经济的发展，我国电力供应日益紧张，对电力需求很大，电价居高不下，在这种环境下，通过气化发电技术，把生物质转化为电力，既能大规模处理生物质废料，又能为生产提供电力，具有明显的社会和经济效益。本文主要讲述生物质的气化技术，生物质气净化处理技术及生物质气用于内燃机的发电技术。
关键词：生物质；气化；净化；内燃机；发电
Biomass Gasification and Generation Technology
Yang YongFu，Sun Long，Fan JunJie
（Shengli Oil Field Shengli Power Machinery Co., Ltd, Dongying Shandong 257032）
Abstract: Energy demand is increasing and the fossil fuel is decreasing, which is the important energy source. Biomass is an important regenerative energy. It distributes widely and with high amount. Because it features low concentration and distribute dispersedly, so it is difficult for transportation and treatment in scale. With rapid economic development, electricity is in great demand gradually, its price is high. Under this condition, biomass is converted into electricity by gasification technology. Supported with this technology, massive waste biomass is treated and electricity is produced to supply for production resulting in significantly social and economical benefits. The paper introduces biomass gasification, biogas treatment and electricity generation by fueling biogas on internal combustion engine.
Key Words: Biomass；Gasification；purification；Internal Combustion Engine； Electricity Generation
1 生物质气化技术
简单地讲，气化是以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂，在高温的条件下通过热化学反应将生物质中可燃部分转化为可燃气（主要为一氧化碳、氢气和甲烷等）的热化学反应。气化和燃烧是密不可分的，燃烧是气化的基础，气化是部分燃烧或缺氧燃烧。气化可以将生物质转化为高品质的气态燃料，直接应用作为锅炉燃料或发电，产生所需的热量或电力。生物质气化后一部分转变为可燃气体，一部分转变为碳，另外还有少量的焦油。得到的生物
质燃气经过水洗、净化后即可使用，可民用，也可直接用于发电。 1.1 气化方法 1.1.1 干馏气化法
干馏气化属于热解的一种特例，是指在缺氧或少量供氧的条件下，生物质进行干馏的过程。主要产物为醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油、木炭和可燃气。可燃气的主要成分是二氧化碳、一氧化碳、甲烷、乙烯和氢气等，其产量和组成与热解温度和加热
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速率有关。燃气的热值为15MJ/m，属中热值燃气。
1.1.2 空气气化法
以空气作为气化剂的气化过程，空气中氧气与生物质中可燃组分发生氧化反应，提供气化过程中其它反应所需的热量，不需要额外提供热量。由于空气随处可得，不需要消耗额外能源进行生产，所以它是一种极普遍、经济、设备最简单且容易实现的气化形式。
空气中含有21%的氧气和79%的氮气，氮气是一种惰性气体，不参与化学反应。但氮气在化学反应过程中会吸收部分反应热，降低反应温度，阻碍氧气的充分扩散，降低反应速度。而且不参与反应的氮气稀释了生物质燃气中可燃组分，降低了燃气热值。燃
气热值一般为5MJ/m3
，属低热值燃气。 1.1.3 氧气气化法
以纯氧作为气化剂的气化过程。在此反应过程中，需严格控制氧气的供给量，方可保证气化反应所需的热量，避免生成二氧化碳。同空气气化相比，由于没有氮气参与，提高了反应温度和速度，缩小了反应空间，提高了热效率。生物质燃气热值可达到
15MJ/m3
，属中热值燃气，可与城市煤气相当。但是生产纯氧需要消耗大量的能源，故不适于小型的气化系统。 1.1.4 水蒸气气化法
以水蒸气作为气化剂的气化过程。气化过程中水蒸气与炭发生还原反应，生成一氧化碳和氢气，同时一氧化碳与水蒸气发生变化反应和各种甲烷化反应，故生物质燃气中氢气和甲烷的含量较高，热值可达到
17MJ/m3～21MJ/m3
，属中热值燃气。水蒸气气化的主要反应是吸热反应，需要额外的热源，但是反应温度又不能过高，且该项技术比较复杂，不易控制和操作。 1.1.5 水蒸气-空气气化法
主要用来克服空气气化产物热值低的缺点。减少了空气的供给量，并生成了更多的氢气和碳氢化合物，提高了燃气的热值，
生物质燃气热值可达到11.5MJ/m3
。此外空气与生物质的氧化反应，可提供其他反应所需的热量，不需外加热系统。 1.1.6 氢气气化法
以氢气作为气化剂的气化过程。主要气化反应是氢气与固定碳及水蒸气生成甲烷
的过程。生物质燃气热值可达到
12.3MJ/m3～26MJ/m3
，属高热值燃气。但氢气气化反应的条件极为苛刻，需要在高温高压下进行，一般不常使用。 1.2 生物质气化设备—气化炉
气化炉是生物质气化的主要设备。在这里，生物质经燃烧、气化转化为可燃气。气化炉可分为固定床气化炉、流化床气化炉及携带床气化炉。固定床适用于小型设备，流化床比较易于大型化。在反应过程中主要控制的是气化炉中的反应温度和物料的停留时间。
1.2.1 固定床气化炉
固定床气化炉的气化反应一般发生在相对静止的床层中进行，生物质依次完成干燥、热解、氧化和还原反应。根据气流运动方向的不同，固定床气化炉可分为下吸式、上吸式、横吸式及开心式等几种类型。 下吸式固定床气化炉的特征是气体和生物质物料混合向下流动。通过高温喉管区（只有下吸式设有喉管区）。生物质在喉管区发生气化反应，可燃气体从喉管下部吸出，而且焦油也可以通过炽热的木炭床时进行裂解，因此挥发分中的焦油可以得到充分分解，燃气中焦油含量较低，特别受到小型发电系统的青睐。一般情况下，下吸式固定床气化炉不设炉栅，但如果原料尺寸较小也可设炉栅。此种气化炉结构简单，运行比较可靠，适于较干的大块物料或低灰分大块同少量粗糙颗料的混合物料，其最大处理量是500kg/h。目前欧洲的一些国家已用于商业运行。
上吸式固定床气化炉的特点是气体的流动方向与物料运动方向相反。向下流动的生物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解。在气休炉底部，固定碳与空气中的氧气进行不完全燃烧、气化，产生可燃气体。因为原料在干燥层和热解层可以充分利用还原反应气体的余热，可燃气体在出口处的温度可以降至300℃以下，所以上吸式固定床气化炉的热效率比其它固定床气化炉的高。且对原料要求不很严格，但是上吸式气化炉燃气中焦油含量较高，需作进一步净化处
理。上吸式气化炉目前没有较大的型号，但在原理上其容量不受限制。该种气化炉主要应用于欧洲及东南亚一些国家。
横吸式固定床气化炉的特点是空气由侧方向供给，产出气体由侧向流出。气体流横向通过燃烧气化区。它主要用于木炭气化。在南美洲应用广泛并投入商业运行。 开心式固定床化炉同下吸式相似，气流同物料一起向下流动。但是由转动炉栅代替了喉管区。主要反应在炉栅上部的燃烧区进行。结构简单而且运行可靠。它是由我国研制的，主要用于稻壳气化，并已投入商业运行多年。
1.2.2 流化床气化炉
流化床气化炉具有气、固接触，混合均匀和反应速度快、气化效率高的优点，是唯一在恒温床上进行反应的气化炉，反应温度为700℃~850℃，原料要求相当小的颗粒。其气化反应在流化床内进行，产生的焦油也可在流化床内裂解。流化介质一般选用惰性材料（如砂子），由于灰渣的热性质易发生床结渣而丧失流化床功能，因此要控制好运行温度。
流化床气化炉分单床气化炉、循环气化炉和双床气化炉。单床气化炉只有一个流化床，气化后生成的气化气直接进入净化系统中；循环流化床的流化速度较高，能使产出气体中带走大量固体，经旋风分离器后使这些固体返回流化床，与单床相比，提高了碳的转化率，适用于颗粒度较小物料的气化；双流化床与循环床相似，不同的是第1级反应器的流化介质被第2级反应器加热。在第1级反应器中进行裂解反应。第2级反应器中进行气化反应，双流化床的碳转化率也很高。
1.2.3 携带床气化炉
携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例，它不使用惰性材料，提供的气化剂直接吹动生物质原料，属于气流输送。该气化炉要求原料破碎成细小的颗粒，其运行温度高达成1100℃～1300℃，产出气体中焦油成分及冷凝物含量很低，碳转化率可达100%。由于运行温度高易烧结，故选材较难。 2 生物质燃气的净化技术
不同气化炉及不同气化方式产出的气体成分和热值也不相同，其热值一般在
5MJ/m3～15MJ/m3
。生物质气化产生的气体成分大致如下：CO：15%～23%；H2：8%～13%；CH4：1%～3%；CO2：11%～14%；O2：1.6%。其余基本为氮气。气化炉温度越高，H2含量越高，焦油含量越少，气化炉温度达到1200℃时，H2含量可达到20%。
目前的生物质气化技术中焦油含量普遍较高，使得后续的净化和使用都比较麻烦。针对这一特点，采取催化裂解法，将秸秆等生物质废料转化为焦油含量很低的燃气。
2.1 水洗除焦
在喷淋塔中将水与生物质燃气相接触，将其中的焦油去除。此方法在技术上成熟可靠，且集除尘、除焦和冷却三项功能于一身，是中小气化系统采用较多的一项技术。主要缺点是会产生废水，造成能量的浪费和二次污染问题。 2.2 过滤除焦
将生物质燃气通过装有吸附性强的材料（如活性炭、滤纸和陶瓷芯）的过滤器将焦油过滤出来，具有除尘和除焦两项功能，且过滤效率较高。主要缺点是需要经常更换过滤材料。为了防止产生废物，可以选择生物质作为过滤材料，如粉碎的玉米芯等。 2.3 静电除焦
在高压静电下将生物质气电离，使焦油小液滴带上电荷，小液滴聚合在一起形成大液滴，并在重力的作用下从燃气中分离出来。其效率较高，可达到90%以上。但生物质燃气中氧的含量不得超过1%，否则静电放电容易点着燃气，导致爆炸。故静电除焦操作起来比较困难。 2.4 催化裂解除焦
催化裂解法除焦是目前最先进的除焦技术。焦油在1000℃～1200℃时可热解为小分子气体，但实现这样高的温度比较困难。催化裂解是利用催化剂的作用，在800℃～900℃时发生热解反应。其效率可达99%以上。热解的产物为可燃气，可以直接利用。催化剂多采用木炭、白云石和镍基催化剂。