新能源及工藝行條件,可以得到三種不同熱值的氣化產(chǎn)品氣:低流接著上升到還原層,將燃燒層生成的CO2還原熱值一-46MJ/m2(使 用空氣和蒸汽/空氣);中等成CO;氣化劑中的水蒸氣被分解,生成H2和CO。熱值12~ 18M]/m2(使用氧氣和蒸汽) ;高熱值這些氣體與氣化劑中未反應(yīng)部分一起繼續(xù)上升，-40MJ/m2(使用氫氣)。加熱上部的原料層,使原料層發(fā)生熱解,脫除揮發(fā)分,生成的焦炭落人還原層。生成的氣體繼續(xù)上1生 物質(zhì)氣化反應(yīng)爐升,將剛?cè)藸t的原料預(yù)熱、干燥后，進(jìn)入氣化爐上生物質(zhì)氣化按照使用的氣化爐類型不同分為部,經(jīng)氣化爐氣體出口引出。固定床氣化和流化床氣化兩種。氣流床氣化對于9r生物質(zhì)人爐顆粒粒度要求細(xì)(一般要求小于0.4mm),對于生物質(zhì)而言,要滿足氣流床氣化的粒度要求還有許多技術(shù)經(jīng)濟(jì)難題需要解決。.1 生物質(zhì)固定床氣化爐固定床是--種傳統(tǒng)的氣化反應(yīng)爐,其運(yùn)行溫溫度分布去揮發(fā)分度在1000C左右。固定床氣化爐分為逆流式、并燃燒流式,如圖1、2所示。逆流式氣化爐是指氣化原料與氣化介質(zhì)在床中的流動方向相反,而并流式氣化爐是指氣化原料與氣化介質(zhì)在床中的流動方壓縮向相同。這兩種氣化爐按照氣化介質(zhì)的流動方向1400 1000 600 200灰J不同又分別稱為上吸式、下吸式氣化爐。下面對上圖2下吸式固定床生物質(zhì)氣化爐及其床內(nèi)溫度分布吸式固定床生物質(zhì)氣化爐的運(yùn)行工藝作簡單介紹。1.2 流化床生物質(zhì)氣化爐流化床燃燒是一種先進(jìn)的燃燒技術(shù),應(yīng)用于生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒上已獲得了成功[3] ,但用于生物質(zhì)氣化仍是一個新課題。與固定床相比,流化床沒有爐柵,一個簡單的流化床由燃燒室、布風(fēng)板組成，干燥日焦油及煙氣氣化劑通過布風(fēng)板進(jìn)人流化床反應(yīng)器中。按氣固流動特性不同,將流化床分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床，如圖3所示。鼓泡流化床氣化爐中氣流速度相對較低,幾乎沒有固體顆粒從流化床中逸出。而循環(huán)流化床氣化爐中流化速度相對較高，從流化床中攜帶出的顆粒在通過旋風(fēng)分離器收集后重新送人爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)?！?xì)獬隹趫D1上吸式固定床生物質(zhì)氣化爐及其床內(nèi)溫度分布.燃?xì)獬隹谠谏衔焦潭ù矚饣癄t中,生物質(zhì)原料從氣化爐上部的加料裝置送人爐內(nèi)，整個料層由爐膛二次風(fēng)下部的爐柵支撐。氣化劑從爐底下部的送風(fēng)口進(jìn)人爐內(nèi),由爐柵縫隙均勻分布、并滲人料層底部區(qū)燃料域的灰渣層,氣化劑和灰渣進(jìn)行熱交換，氣化劑被T預(yù)熱，灰渣被冷卻。氣化劑隨后上升至燃燒層,在流化風(fēng)燃燒層,氣化劑和原料中的炭發(fā)生氧化反應(yīng),放出鼓泡流化床循環(huán)流化床大量的熱量,可使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到1000C,這-部圖3兩種不同類 型的流化床氣化爐分熱量可維持氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)所需熱量。氣在生物質(zhì)氣化過程中,流化床首先通過外加- 34- ENERGY ENGINEERING 2004⑤」新能源及工藝熱達(dá)到運(yùn)行溫度,床料吸收并貯存熱量。鼓入氣固定床多,出爐燃?xì)鉁囟群痛矞鼗?致?；癄t的適量空氣經(jīng)布風(fēng)板均勻分布后將床料流1.3.3 能量利用和轉(zhuǎn)換化,床料的湍流流動和混合使整個床保持--個恒固定床中由于床內(nèi)溫度不均勻,導(dǎo)致熱交換定的溫度。當(dāng)合適粒度的生物質(zhì)燃料經(jīng)供料裝置效果較流化床差,但固體在床中停留時間長,故碳加入到流化床中時,與高溫床料迅速混合,在布風(fēng)轉(zhuǎn)換效率高,- -般達(dá)90% ~ 99%。流化床出爐燃板以上的一-定空間內(nèi)激烈翻滾,在常壓條件下迅氣中固體顆粒較多，造成不完全燃燒損失，碳轉(zhuǎn)換速完成干燥、熱解、燃燒及氣化反應(yīng)過程,使之在效率-般只有90%左右。兩者都具有較高熱效等溫條件下實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)化,從而生產(chǎn)出需要的率。燃?xì)?。通過控制運(yùn)行參數(shù)可使流化床床溫保持在1.3.4 環(huán)境效益結(jié)渣溫度以下,床層只要保持均勻流化就可使床固定床燃?xì)怙w灰含量低,而流化床燃?xì)怙w灰層保持等溫，這樣可避免局部燃燒高溫。流化床含量高。其原因是固定床中溫度可高于灰熔點(diǎn), .氣化爐良好的混合特性和較高的氣固反應(yīng)速率使從而使灰熔化成液態(tài),從爐底排出;而流化床中溫其非常適合于大型的工業(yè)供氣系統(tǒng)。因此，流化度低于灰熔點(diǎn)，飛灰被出氣帶出一部分。所以流床反應(yīng)爐是生物質(zhì)氣化轉(zhuǎn)化的- - 種較佳選擇,特化床對環(huán)境影響比固定床大,必須對燃?xì)膺M(jìn)行除別是對于灰熔點(diǎn)較低的生物質(zhì)。塵凈化處理。1.3固定床氣化爐與流化床氣化爐性能比1.3.5 經(jīng)濟(jì)性較[4.5]在設(shè)計制造方面，由于流化床的結(jié)構(gòu)較固定固定床氣化爐與流化床氣化爐有著各自的優(yōu)床復(fù)雜,故投資高。在運(yùn)用方面,固定床對原料要缺點(diǎn)和一定的適用范圍。下面從以下五個方面對求較高，流化床對原料要求不高,故固定床運(yùn)行投流化床和固定床氣化爐的性能進(jìn)行比較。資高于流化床;固定床氣化爐內(nèi)溫度分布較寬,這1.3.1 技術(shù)性能可能產(chǎn)生床內(nèi)局部高溫而使灰熔聚，比容量低、啟從目前情況來看，固定床和流化床氣化爐的動時間長以及大型化較困難;流化床具有氣化強(qiáng)設(shè)計運(yùn)行時間,一般都小于5000h。前者結(jié)構(gòu)簡度大、綜合經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。綜合考慮設(shè)計和運(yùn)單,堅固耐用;后者結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,安裝后不易移動，行過程，流化床對固定床具有更大的經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)該但占地較小,容量一般較固定床的容量大。啟動成為我國今后生物質(zhì)氣化研究的主要方向。時,固定床加熱比較緩慢,需較長時間達(dá)到反應(yīng)溫2生物 質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[6-9]度;流化床加熱迅速,可頻繁起停。運(yùn)行過程中,固定床床內(nèi)溫度不均勻，固體在2.1生物質(zhì)氣化發(fā) 電技術(shù)在國外的發(fā)展及現(xiàn)狀床內(nèi)停留時間過長,而氣體停留時間較短,壓力降生物質(zhì)氣化及發(fā)電技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已受到廣較低;流化床床溫均勻,氣固接觸混合良好,氣固泛重視，如奧地利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典和停留時間都較短,床內(nèi)壓力降較高。固定床的運(yùn)美國等國家生物質(zhì)能在總能源消耗中所占的比例行負(fù)荷可在設(shè)計負(fù)荷的20%~110%之間變動，增加相當(dāng)迅速。奧地利成功地推行了建立燃燒木而流化床由于受氣流速度必須滿足流化條件所材剩余物的區(qū)域供電站的計劃,生物質(zhì)能在總能限，只能在設(shè)計負(fù)荷的50% ~ 120%之間變化。耗中的比例由原來的3%增到目前的25%,已擁，1.3.2 使用的原料有裝機(jī)容量為1- 2MWe的區(qū)域供熱站90座。瑞流化床對原料的要求較固定床低。固定床必典和丹麥正在實(shí)施利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計須使用特定種類,形狀、尺寸盡可能一-致的原料;劃,使生物質(zhì)能在轉(zhuǎn)換為高品位電能的同時滿足流化床使用的原料的種類、進(jìn)料形狀、顆粒尺寸可供熱的需求,以大大提高其轉(zhuǎn)換效率。一些發(fā)展不一致。前者顆粒尺寸較大,后者顆粒尺寸較小。中國家,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展也逐步重視生物質(zhì)的開發(fā)固定床氣化的主要產(chǎn)物是低熱值煤氣,含有利用，增加生物質(zhì)能的生產(chǎn),擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,提少量焦油、油脂、苯、氨等物質(zhì)，需經(jīng)過分離、凈化高其利用效率。菲律賓、馬來西亞以及非洲的一處理。流化床產(chǎn)生的氣體中焦油和氨的含量較些國家，都先后開展了生物質(zhì)能的氣化、成型固低,氣體成分、熱值穩(wěn)定,出爐燃?xì)庵泄腆w顆粒較化、熱解等技術(shù)的研究開發(fā),并形成了工業(yè)化生2004⑤能源工程- 35 -新能源及工藝產(chǎn)。示范項目為例，發(fā)電效率約為31.7% ,但建設(shè)成生物質(zhì)氣化的發(fā)電技術(shù)有以下三種方法:帶本高達(dá)25000元/kW ,發(fā)電成本約1.2元/kWh,實(shí)有氣體透平的生物質(zhì)加壓氣化帶有透平或者是用性很差。近年歐美開展了其它技術(shù)路線的研引擎的常壓生物質(zhì)氣化.帶有Rankine循環(huán)的傳究，如比利時(2.5MW)和奧地利(6MW)開展的生統(tǒng)生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)。傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化聯(lián)合發(fā)電物質(zhì)氣化與外燃式燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù),美國的史技術(shù)( BICCC)包括生物質(zhì)氣化、氣體凈化、燃?xì)廨喬亓盅h(huán)發(fā)電等，但這些技術(shù)仍未成熟，成本較機(jī)發(fā)電及蒸汽輪機(jī)發(fā)電。由于生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档透摺?約5.02MJ/m2),爐子出口氣體溫度較高(800C美國在利用生物質(zhì)能發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先以上),要使BICCC達(dá)到較高效率,須具備兩個條地位。美國建立的Bttelle生物質(zhì)氣化發(fā)電示范件:- -是燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)之前不能降溫,二是燃工程代表生物質(zhì)能利用的世界先進(jìn)水平,可生產(chǎn)氣必須是高壓的。這就要求系統(tǒng)必須采用生物質(zhì)中熱值氣體。這種大型生物質(zhì)氣化循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)高壓氣化和燃?xì)飧邷貎艋瘍煞N技術(shù)才能使BIGCC包括原料預(yù)處理、循環(huán)流化床氣化、催化裂解凈的總體效率較高(40%)。目前歐美一些國家正開化、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、蒸汽輪機(jī)發(fā)電等設(shè)備,適合于展這方面研究,如美國的Bttelle (63MWe)和夏威，大規(guī)模處理農(nóng)林廢物。 此工藝使用兩個獨(dú)立的反夷(6MWe)項目、英國(8MWe)、瑞典(加壓生物質(zhì)應(yīng)器:①氣化反應(yīng)器,在其中生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成中熱值氣化發(fā)電4MWe)、芬蘭(6MWe)以及歐盟建設(shè)3個氣體 和殘?zhí)?②燃燒反應(yīng)器,燃燒殘?zhí)坎闅饣?~ 12MWe生物質(zhì)氣化發(fā)電ICCC示范項目,其中應(yīng)供熱。兩個反應(yīng)器之間的熱交換載體由氣化爐-個是加壓氣化,兩個是常壓氣化。但由于焦油和燃燒室之間的循環(huán)沙粒完成。圖4的工藝流程處理技術(shù)與燃?xì)廨啓C(jī)改造技術(shù)難度大，這些問題圖表明了兩個反應(yīng)器以及它們在整個氣化工藝中限制了其應(yīng)用推廣。以意大利12MW的BIGCC的配合情況?！麡菬峄厝丈镔|(zhì)原料圖干燥器氣化產(chǎn)品氣料斗燃燒器Um供料熱具體與焦發(fā)廢水↑燕汽←品熱回←團(tuán)4 Btelle 生物質(zhì)氣化工藝流程圖這種Bttelle工藝與傳統(tǒng)的氣化工藝不同,不除了將生物質(zhì)氣化用于發(fā)電之外，歐盟進(jìn)而需要制氧裝置,它充分利用了生物質(zhì)原料固有的開展了生物質(zhì)氣化合成甲醇、氨的研究工作。高反應(yīng)特性。生物質(zhì)的氣化強(qiáng)度超過146th. m2,1998年,歐盟建立了四個規(guī)模在4.8~ 12.1t/d之而其他氣化系統(tǒng)的氣化強(qiáng)度通常小于1I/h. m'。間不等的生物質(zhì)氣化合成甲醇的示范工廠。其生Batelle氣化工藝的商業(yè)規(guī)模示范建在弗蒙特州物質(zhì)氣化裝置均為流化床氣化爐,使用氧氣或者的柏林頓McNeil電站,該項目的-期工程,用Bat-水蒸氣作氣化劑,產(chǎn)出中熱值燃?xì)?。在濾出焦油telle技術(shù)建造日產(chǎn)200t燃料氣的氣化爐，在初始和雜質(zhì)、脫除CO2、N2、CH4以及其他碳?xì)浠衔镫A段生產(chǎn)的生物質(zhì)氣用于現(xiàn)有的McNeil電站鍋之后,在一-定壓力下，使CO和H20反應(yīng)生成H2,爐。二期工程安裝1臺燃?xì)廨啓C(jī)來接受從氣化爐再將co和H2以1:2的比例混合導(dǎo)人合成塔,加.來的高溫生物質(zhì)氣，組成聯(lián)合循環(huán)。該氣化設(shè)備人催化劑，合成甲醇。德國已廣泛使用含1%~于1998 年完成安裝并投入運(yùn)行。3%甲醇的混合汽油,內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)無須進(jìn)行較大改- 36 - ENERCY ENGINEERING 2004⑤.新能源及工藝動,其輸出功率近似于燃用純汽油的內(nèi)燃機(jī)的輸很大困難。利用現(xiàn)有技術(shù),研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行、出功率。目前,生物質(zhì)氣化合成甲醇的技術(shù)已經(jīng)效率較高的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)是發(fā)展我國今后成熟,只是其產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性還不能與石油、煤化工能否有效利用生物質(zhì)的關(guān)鍵。相競爭。芬蘭的- -家化肥廠在世界上首次采用木3結(jié)論屑?xì)饣a(chǎn)出的燃?xì)夂铣砂比〉贸晒Α?.2生物質(zhì)氣化發(fā) 電技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展與現(xiàn)狀本文從以下幾點(diǎn)對生物質(zhì)氣化技術(shù)及其發(fā)展我國對生物質(zhì)氣化技術(shù)的深入研究始于上世現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。紀(jì)80年代。經(jīng)過20多年的努力,我國生物質(zhì)氣(1)生物質(zhì)氣化技術(shù)是一項較新的技術(shù),其化技術(shù)日趨完善。但與發(fā)達(dá)國家生物質(zhì)氣化技術(shù)技術(shù)目前還不很成熟,還有許多方面需要完善;相比,國內(nèi)生物質(zhì)氣化裝置基本上是以空氣為氣(2)對固定床、流化床兩種常用的生物質(zhì)氣化劑的常壓固定床氣化技術(shù),如河北的ND系列、化爐進(jìn)行了介紹，并對兩種氣化爐的各自特性及山東的XFL系列、廣州的GSQ系列和云南QL系其性能進(jìn)行了分析,認(rèn)為流化床生物質(zhì)氣化爐比列。這些固定床氣化爐應(yīng)用在不同場合取得了一固定床生物質(zhì)氣化具有更大的經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)該成為定的社會、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。其技術(shù)上的存在問我國今后生物質(zhì)氣化研究的主要方向;題主要是:燃?xì)赓|(zhì)量不穩(wěn)定且燃?xì)鉄嶂档?C0含(3)對生物質(zhì)氣化技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀量過多,不符合城市居民使用燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn);燃?xì)鈨艋M(jìn)行了綜述。與歐美國家相比，目前我國生物質(zhì)及焦油的處理技術(shù)落后;整套裝置的可靠性差、使氣化還是以中小規(guī)模、固定床、低熱值氣化為主,利用壽命短;氣化系統(tǒng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與施工規(guī)范尚未建用現(xiàn)有技術(shù)，研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行、效率較高的系立,難以實(shí)現(xiàn)氣化技術(shù)的工程化。上述因素制約統(tǒng),是目前發(fā)展我國生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的一一個主了生物質(zhì)氣化技術(shù)在我國的商業(yè)化推廣。要課題,也是我國能否有效利用生物質(zhì)的關(guān)鍵。上世紀(jì)60年代,我國就開始了生物質(zhì)氣化發(fā)參考文獻(xiàn):電的研究,研制出樣機(jī)并進(jìn)行了初步推廣,后因經(jīng)濟(jì)條件限制和收益不高等原因停止了這方面地研1] Gahly M, PiskorzJ, et al. The Hydro gasification of wood究工作。近年來,隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展和人民生[J]. Ind Eng Chem Res, 1988, 27: 256 - 264.活水平的提高，--些缺電、少電地方迫切需要電2] Ergudenler E, Ghaly A E. Quality of gas produced fromwheat straw in a Dual- dstibutor type Fluidized Bed Gasi-能;其次是環(huán)境問題,丟棄或焚燒農(nóng)業(yè)廢棄物將造fier[J]. Biomass & Bioenergy, 1992. 3(2): 419- 430.成環(huán)境污染,生物質(zhì)氣化發(fā)電可以有效的利用農(nóng)3] Salour D, et al. Control of in-bed agglomeration by fuel業(yè)廢棄物。所以,以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的生物質(zhì)blending in a pilot scale straw and wood felldl AFBC[J].氣化發(fā)電逐漸得到人們的重視。Bionmass and Bioenergy, 1993,4(2): 117- 123.我國“九五”期間進(jìn)行了1MWe 的生物質(zhì)氣[4] T B Reed. Biomass gasification principle and technology化發(fā)電系統(tǒng)研究,旨在開發(fā)適合中國國情的中型[M]. Published in the United States, 1981.生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)。1MWe 的生物質(zhì)氣化發(fā)電[5] Peter McKendry. Energy production from biomass (part系統(tǒng)已于1998年10月建成,采用-爐多機(jī)的形2): Conversion technologie[J]. Bioresource Technology,式,即5臺200kWe發(fā)電機(jī)組并聯(lián)工作,2000年72002,83:47- 54.月通過中科院鑒定。由于受氣化效率與內(nèi)燃機(jī)效6] AA C M Beenackers. Solar Energy R&D in the EuropeanCommumity Series E Advanced gaification[ M]. Pubished率的限制,簡單的氣化-內(nèi)燃機(jī)發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)效by D. Reidel publishing Company, 1986.率低于18% ,單位電量的生物質(zhì)消耗量- -般大于[ 7] Ayhan Demirbas. Biomass resource facilities and biomass1.2kg/kWh。以中科院廣州能源所為主承擔(dān)的conversion process for fuel and chermical[J]. Energy Con-“十五”863項目一4MWe 的生物質(zhì)氣化發(fā)電裝version and Management, 2001 ,(42): 1357- 1378.置正處于研究開發(fā)之中。[8]編寫組. 中國生物質(zhì)能技術(shù)研究與開發(fā)[M].北京:目前,我國的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的最大裝機(jī)容中國科學(xué)技術(shù)出版社, 1992.量與國外相比,還有很大差距。在現(xiàn)有條件下研[9] 吳創(chuàng)之,等.農(nóng)業(yè)生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)應(yīng)用分析[J].究開發(fā)與國外相同技術(shù)路線的BIGCC系統(tǒng),存在新能源，1995,17(5):5-11.2004⑤能源工程-37 -