生物质气化是目前生物质能利用技术研究的热门方向.doc

生物质气化利用的影响因素分析

摘要：生物质气化技术是生物质燃料在高温及缺氧条件下，热解产生一氧化碳与气化介质(通常有空气、氧气、水蒸气或氢气)，在一定条件下发生热化学反应，产生以CO、H2或CH4为主要成分的可燃气体的转化过程。通过流化床生物质气化炉（气化强度为225kg/m2·h）的运行实践，阐述了生物质气化原理，综述了生物质在流化床气化中，物料性质、气化剂、原料粒径、温度、压力、原料前处理等操作条件对生物质气化产品组成的影响。
关键词：生物质气化；物料性质；气化过程；操作条件；流化床
1 引言
由温室气体引起的全球变暖，是当前也是未来能源和环境问题中最引人关注的热点和难点。含碳化石燃料排放的C02是主要的温室气体源，生物质来源于太阳能，在其生长过程中，由光合作用而吸收CO2，在其作为能源利用过程中，CO2的净排放又有效的被新的光合作用而吸收，使整个能源利用系统CO2净排放为零，从而有效的防止了CO2的释放对环境的危害。将生物质转化为气体燃料是一种很好的生物质利用途径，其中以流化床生物质气化最为引入注目。本文就生物质在流化床气化过程中，各种操作条件对其气化产品组成分布的影响等方面作了介绍。
2 生物质气化
生物质热化学气化是指将预处理过的生物质在气化介质中如空气、纯氧、水蒸气或这三者混合物加热至700○C以上，当空气当量系数降低时，气化反应开始，供应燃烧的氧含量降低，燃气中CO含量增加；当供氧量进一步降低时，大量的H2、CH4、甚至重烃化合物将会生成，同时生物质燃气温度降低，显热损失下降，化学能提高，从而将生物质分解为合成气。生物质气化与煤气化原理相似，大体上，气化过程可以分成两个主要的反应阶段；热解和焦炭气化。焦炭气化是指固体焦炭，热解焦油和热解气的部分氧化，通常热解的速度大大快于气化速度，所以后者是速率控制步骤。热解阶段是指固体燃料在初始加热阶段的脱挥发分或热分解，它在几秒内完成，高温下甚至更短。可以用下列方程式表示：
Coal or pine chips→Oil／tar+CO+C02+H20+Semichar+CH4+CmHn
+Pyroligneous acids(wood—derivedproducts)
Oil／tar(cracking) → Char+ H2+ CH4
Semichar → Char+ H2 + CH4
气化技术根据炉型的不同又可分为固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉适用于物料为块状及大颗粒原料。它制造简便，很少的运行部件，较高的热效率，但其内部过程难于控制，内部物质容易搭桥形成空腔且处理量小。流化床气化炉具有原料适应性广，气、固充分接触，混合均匀的优点，是唯一在恒温床上反应的气化炉。生物质流化床气化技术有极大的发展前景。
3 影响生物质气化的主要因素
在生物质气化过程中，当气化炉类型确定后，在确定的气化剂气氛下，操作条件诸如空气当量比，生物质／气化剂的比率，粒径，温度，压力、气化介质、催化剂和添加剂等对碳的转化率，产品气的组成，焦油的形成和焦油的减少都有很重要的影响，本文仅就几个方面来探讨其影响。
3．1 气化剂的影响
生物质气化时所用的气化剂有空气、水蒸气、空气一水蒸气、二氧化碳、水蒸气一氧、水蒸气一二氧化碳等，气化剂不同，气化炉出口产生的气体组分也不同。在工业规模中，气化剂一般是用空气，当量比为0．2—0．3，出口气体包括50vol％N2，8—12vol％的H2、CO、CH4、C2、C3、CO2、H20和焦油。这个组成只适用于发电和供热。气体确切的组成随操作条件而变化。当需要大量的氢气时，用空气作气化剂是不合适的，可以从木质纤维废物的热解液体的催化重整和生物质水蒸气的直接气化得到CO、H2或合成气。水蒸气气化的出口气组成和空气气化很不同，出口气不再包括氮气，氢气的浓度高达50—55vol％。大量的CH4、C2、C3和焦油与H2、CO和CO2一起得到，另外，水蒸气的二次催化重整，轻的碳氢化合物和大多数的焦油能被转化成H2和C0，H2的量增加至70—75vol％，如果出口气中富含氢气，它可以被用作燃料电池，如果H2和CO的比例近似为2：1，可以用作Fischer—Tmpsch的合成，如果气体富含甲烷，可以被用做热值燃料。
3．2 粒径的影响
在生物质气化过程中，生物质粒子的热解反应直到加热到一定温度时才能发生，生物质的粒径主要影响其加热速率，生物质粒子的加热速率又影响气体的产率和产品气的组成。通常认为，加热速率越快，轻质气体越多，焦炭和缩合物的产率越少。随着粒径的增加，气体扩散过程影响增加。经过试验得出粒径在<5mm时，粒子内外的温度梯度对热传递没有影响，对过程的反应速率就不会有影响。粒径是影响过程反应速率的主要参数，粒径的大小决定了反应是由动力学控制还是扩散反应控制。一般而言，粒径增加，在给定的时间内使粒子内外有很大的温度梯度，中心温度低于表面温度，但温度梯度的大小又取决于原材料的孔隙率，孔隙率大则传热快，粒径影响减弱，所以粒径的影响还将取决于原材料。
3．3 温度的影响
在生物质气化过程中，温度是一个很重要的影响因素，温度对气化产物分布、产品气的组成、产气率、热解气热值等都有很大的影响。不同学者的研究均表明，随温度升高，气体产率增加，反应速率增大，对产品气组成影响则随实验条件的不同而不同。在热解的初始阶段，温度增加气体产率增加，归因子挥发物的裂解。其次，焦油的裂解也是随着温度的升高而增大，生物质气化过程中产生的焦油在高温下发生裂解反应生成CmHn、CO、H2，、CH4,的缘故，其反应式为：Tars+{H20，CO2……}→ΣCmHn+ CO + H2+ CH4+……。
3．4 压力的影响
操作压力提高，一方面能提高生产能力，另一方面能减少带出物损失，从结构上看，在同样的生产能力时，压力提高，气化炉容积可以减小，后续工段的设备也可减小尺寸，而且净化效果好，所以流化床目前都从常压向高压方向发展。
3．5 物料的性质
⑴ 物料水分
一般物料中水分控制在20%以内时，可以保证气化炉经济可靠地运行。运行中还发现当物料水分大于60%时，燃烧反应不能进行。依靠燃烧反应提供热量的气化反应更无法进行。试验结果表明，少量的水分不致对气化有太大的影响。但水分太大时，将破坏气化过程的进行，使燃气质量下降。同时物料水分过高时，燃气出口温度降低，焦油凝结现象严重，妨碍气体流通。
⑵ 物料灰分
一般来说，物料灰分愈高，其燃料发热量就愈低，所产燃气热值就相应较低。在使用各种生物质燃料气化时，其飞灰均有一定的含碳量，且随物料种类、粒度及运行条件的变化，飞灰含碳量不断变化。在设计的稳定运行条件下，其变化范围大致为30%-50%。对流化床而言，飞灰含碳热损失是一项较大的热损失，约占总损失的5%。另外，当灰分含量较高且熔点较低时，在反应区内容易结渣，由此引起气流不均匀和烧穿现象，影响气化质量，并增加了灰渣带走的热损失。试验表明，物料灰分含量在7%以内时，气化炉能够稳定运行。
4 结束语
我国是农业大国，生物质能资源十分丰富。根据1998年的统计，中国各类农作物秸杆的年产量约为6亿t(玉米秸杆2．24亿t、小麦秸杆1．40亿t、水稻秸杆1．15亿t)，可收集利用的约为4．8亿t。我国生物质废弃物的总量，约相当于我国煤炭年开采量的50％，生物质能开发利用研究是我国可持续发展技术的重要内容之一，被列入我国2l世纪发展议程。如何用好这些富碳清洁的可再生资源是我国能源可持续发展的一个主要方向。以热解、气化方式实现低质生物质原料的深层次利用，减少直接燃用给环境带来的严重污染，具有显著的社会、环境效益。

参考文献
［１］ 王方，周义德，李在峰，岳峰．［期刊论文］．影响生物质气化指标的主要因素分析
［２］ 秦弯红，避杰，李文荚，谢克善．［期刊论文］．生物质气化影响因素分析