Vol.40 No. 12化工新型材料第40卷第12期●22●NEW CHEMICAL MATERIALS2012年12月生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進(jìn)展.武衛(wèi)榮崔淑貞高文超(濟(jì)寧學(xué)院化學(xué)與化工系，曲阜273155)摘要生物質(zhì)能是一種理想的可再生能源，由于其儲(chǔ)量大、低污染.熱值高等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已被廣泛開發(fā)利用。論述了生物質(zhì)氣化技術(shù)的基本原理,反應(yīng)過程及影響氣化特性的因素,如溫度、氣化介質(zhì)、催化劑。并對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行概括,最后就生物質(zhì)氣化技術(shù)存在的問題提出幾點(diǎn)建議。關(guān)鍵詞生物質(zhì)氣化, 氣化介質(zhì).催化劑,碳轉(zhuǎn)化率Research progress of biomass gasification technologyWu Weirong Cui Shuzhen Gao Wenchao(Department of Chemistry and Chemical Engineering ,Jining University ,Qufu 273155)Abstract Biomass energy is one kind of ideal regenerative energy resource. Due to itossessed large storage, lowpollution and high calorific value,it has been widely developed. The basic principle of biomass gasification , the course of re-action and the influences of operating conditions on the applications of boomass gasification such as temperature, gasfier a-gent,catalyst were introduced. Meanwhile the application situation of biomass gasification technology was described. Final-ly, some advices about the existing problems were put forward.Key words biomass gasification,asifying media,catalyst, carbon conversion能源關(guān)系到我國經(jīng)濟(jì)的快速增長和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)的排放少,減輕環(huán)境污染;生物質(zhì)將炭和能量以COr形式固展。為此探尋可再生的綠色無污染能源是當(dāng)務(wù)之急。據(jù)聯(lián)定,CO2排放量等于C固定量,故生物質(zhì)是一-種CO2零排放的合國調(diào)查資料顯示,東南亞各國42%的能源消耗來自生物質(zhì)，可再生資源，避免了溫室效應(yīng)加劇13.7]。非洲占58%。我國農(nóng)村主要的生活能源也是生物質(zhì)能[2],其1.2生物質(zhì)氣化基本原理和氣化過程在地球上的儲(chǔ)量豐富,低污染,熱值高，具有可再生性。很多生物質(zhì)氣化原理指在- -定熱力學(xué)條件下,借助空氣、水蒸國家已經(jīng)建立起生物質(zhì)IGCC系統(tǒng)發(fā)電示范基地[3]1,利用費(fèi)氣的作用，使生物質(zhì)高聚物發(fā)生熱解、氧化還原、重整反應(yīng),熱托合成工藝將合成氣轉(zhuǎn)變?yōu)榧状肌⒍酌训纫后w燃料[°。對(duì)解伴生的焦油進(jìn)一步熱裂化或催化裂化為小分子碳?xì)浠衔覈裕_發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的生物質(zhì)能可有效緩解能源危機(jī),改物，獲得含CO、H2和CH,氣體[8]。善當(dāng)前劣性環(huán)境,對(duì)建立資源節(jié)約型社會(huì)有重要意義，現(xiàn)已被生物質(zhì)氣化過程根據(jù)反應(yīng)溫度和產(chǎn)物不同，可以分為4列人我國21世紀(jì)發(fā)展議程'5。個(gè)階段:干燥階段、熱解階段、氧化還原階段和凈化階段。干燥階段:脫除水分,物料化學(xué)組成幾乎不變[9]。1生物質(zhì)氣化基本原理及 反應(yīng)過程熱解階段:生物質(zhì)初步裂解炭化，脫除揮發(fā)分(主要是碳1.1生物質(zhì)的定義及優(yōu)點(diǎn)氫氣體、氫氣焦油、水蒸.-氧化碳、二氧化碳),得到固定碳生物質(zhì)指利用大氣,水,土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各和灰分。種有機(jī)體。美國能源部(DOE)把生物質(zhì)定義為:生物質(zhì)是來氧化還原階段:固定碳與O2共燃生成CO.CO:和H2O,源于植物和動(dòng)物的有機(jī)物質(zhì)。月前我們開發(fā)利用的主要是富放出大量熱為碳的深層氣化提供能量。含纖維索和木質(zhì)素的生物質(zhì).凈化階段:產(chǎn)出氣夾帶少量水蒸汽焦油、堿金屬及氨,須能源問題不僅關(guān)系到我國經(jīng)濟(jì)的快速增長和社會(huì)的可持經(jīng)冷卻器除塵器、水噴淋塔將它們除去后,方可輸送到燃?xì)饫m(xù)發(fā)展，也關(guān)系到生物質(zhì)能指直接或間接地通過綠色植物的設(shè)備。光合作用,把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能后固定和貯藏在生物體內(nèi)2影響生物質(zhì) 氣化工藝的因素的能量0。生物質(zhì)能得到世界各國的關(guān)注,因其有許多優(yōu)于傳統(tǒng)化石能源的特點(diǎn):生物質(zhì)具有可再生性,原料具有多樣性氣化過程中有很多因素影響產(chǎn)出氣的組成和熱解速率，和廣泛性，資源開發(fā)潛力大國;生物質(zhì)揮發(fā)分含量高、H/C和比如氣化介質(zhì)、反應(yīng)溫度、催化劑種類、反應(yīng)物粒徑、傳熱方法O/ C比高、空隙率大孔徑大,有利于著火和燃燒，反應(yīng)活性等,這里僅詳細(xì)討論反應(yīng)溫度、氣化介質(zhì)、催化劑對(duì)氣化工藝更好;生物質(zhì)的硫、氮、灰分含量少，硫化物、氨氧化物和粉塵的影響。基金項(xiàng)目:山東省綠色制造與節(jié)能減排科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目第12期武衛(wèi)榮等:生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究進(jìn)展●232.1反應(yīng)溫 度的影響李永玲等[1)以秸稈熱解產(chǎn)生的焦油為研究對(duì)象，在固定溫度是生物質(zhì)氣化過程中重要的工藝參數(shù),對(duì)產(chǎn)出氣的床焦油催化裂化反應(yīng)器上，分別以高鋁磚、白云石、石灰石為種類及組成分布、熱解速率及反應(yīng)的熱量變化有很大影響。催化劑,研究催化劑種類及尺寸對(duì)焦油催化裂化的影響實(shí)驗(yàn)。隨溫度升高，氣體產(chǎn)率增加，反應(yīng)速率增大，而對(duì)產(chǎn)品氣組成結(jié)果表明催化劑的使用提高了焦油的轉(zhuǎn)化率。在低于800"C影響則隨實(shí)驗(yàn)條件的不同而不同。的區(qū)間石灰石催化效率最好,大于800C的高溫區(qū),白云石的烏曉江等0]利用沉降式加壓氣化爐研究各參數(shù)對(duì)氣化特催化效果超過石灰石。白云石和石灰石共催化下合成氣體積性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)高溫利于氣化反應(yīng)向吸熱方向進(jìn)行,在分?jǐn)?shù)更大,高鋁磚的催化效果對(duì)合成氣量的貢獻(xiàn)隨反應(yīng)溫度1600°C~ 1700C碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%,冷煤氣達(dá)50%左右,合升高而增大。催化劑對(duì)焦油裂解起重要作用，催化劑的使用成氣產(chǎn)量隨O/C比的增加,呈現(xiàn)先增后減的變化。Song Tao減少了焦油產(chǎn)出,凈化了氣化設(shè)備,提升了產(chǎn)品氣質(zhì)量，催化等[1研究串行流化床制氫的實(shí)驗(yàn)中得出高溫利于合成氣生產(chǎn)裂解焦油理應(yīng)是解決焦油問題的優(yōu)良方法。和焦油分解，溫度由720C升至920C過程中,CO含量顯著增3生物質(zhì)氣化技術(shù)的應(yīng)用加，820C時(shí)H2產(chǎn)率和碳?xì)饣视凶畲笾?。溫度升?H2和CO的產(chǎn)率曲線都呈上升趨勢(shì)。3.1生物質(zhì)制氫技術(shù)及 甲烷合成2.2氣化介 質(zhì)的影響生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換制氫指將生物質(zhì)通過熱化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化目前生物質(zhì)氣化技術(shù)中采用的氣化介質(zhì)有空氣氣化、富為富氫氣體。氫氣來源于生物質(zhì)原料的熱解氣化以及焦油等氧氣化、二氧化碳?xì)饣?空氣-水蒸氣氣化和水蒸氣氣化。純水烴類物質(zhì)的熱裂解。蒸氣作為氣化介質(zhì),對(duì)反應(yīng)容器壓強(qiáng)有更高要求.而且后期的李克忠等1間研究煤和生物質(zhì)共氣化制取富氫燃?xì)夂蟀l(fā)維護(hù)修理困難,花銷大?？諝鈿饣橘|(zhì)操作及維護(hù)都較方便，現(xiàn),對(duì)煤和稻草混合體系Fs/Fc質(zhì)量比(Fs/Fc-水蒸氣的質(zhì)較為常用,但是空氣中富含大量的N,降低了氧濃度,使得產(chǎn)量流率( kg /h) /碳的加料速率(kg/h))增加利于CO2和出氣品質(zhì)降低5.12。CH,生成,但降低了CO和H2含量。生物質(zhì)比增加,氣化炭在空氣水蒸氣中氣化可獲得高熱值的合成氣,運(yùn)行生產(chǎn)比例降低,煤氣中的CO2、H2和CH增加,CO含量減少;空氣成本低。蘇德仁等[5報(bào)道了水蒸氣量、生物質(zhì)量對(duì)氣化特性當(dāng)量比增加,不利于合成氣的生成，氣體產(chǎn)率呈先增后減的變的影響。結(jié)果表明:溫度升高,增加水蒸氣量可明顯提高氣化化;對(duì)于3種不同的煤與生物質(zhì)混合體系,煤與高粱稈共氣化效率，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)91%以上。選擇富氧氣體(或含水蒸氣)所得煤氣中H2含量最高,實(shí)驗(yàn)中H2在煤氣中的體積分?jǐn)?shù)最避免了N2對(duì)氟的稀釋,降低了熱解平衡溫度,加快氣化反應(yīng)，高可達(dá)37. 25% ,最大產(chǎn)率為0. 54 m2 /kg.提高了碳轉(zhuǎn)化率和合成氣產(chǎn)率，優(yōu)化了產(chǎn)品組成。江程程LiRongping等9)研究了廚余廢物及牲畜糞便發(fā)酵消化等D4采用平板式固定床反應(yīng)器研究N,水蒸氣和CO2氣氛生產(chǎn)甲烷的實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明: KW(kitchen wastes)和CW(cattle中裂解氣組成及其特性時(shí)發(fā)現(xiàn)在3種介質(zhì)中H2.CH .CO體manure) 共同消化中的協(xié)同作用,酸堿環(huán)境及纖維結(jié)構(gòu)對(duì)甲烷積分?jǐn)?shù)均隨溫度升高而增大。相對(duì)于N;和CO2 ,生物質(zhì)在水產(chǎn)率有不同程度的影響。向KW中混入NaOH、向CW中混蒸氣氛圍中氣化效果更好,氣體產(chǎn)率、氣體熱值、碳轉(zhuǎn)化率有入硫酸強(qiáng)化了發(fā)酵消化進(jìn)程,KW和cw聯(lián)合消化作用使甲最佳值。烷產(chǎn)率提高了44%,向Kw中加人NaOH使得甲烷產(chǎn)率增加2.3催化劑的影響了32% ;同樣,用酸處理的CW比未處理的CW消化發(fā)酵后放生物質(zhì)熱解氣化過程中產(chǎn)生大量焦油,在高溫氣化階段出更多甲烷,CW中纖維結(jié)構(gòu)的改變利于甲烷的生成。盡管有部分焦油二次裂解,但-段時(shí)間后焦油還是會(huì)積累在3.2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)管壁上形成厚厚的油層，堵塞管道影響氣體的輸送,加速設(shè)備世界上比較典型的生物質(zhì)氣化發(fā)電模式有IGCC(整體氣老化,對(duì)于熱解氣化過程以及相關(guān)的設(shè)備都有不利的影響,因化聯(lián)合循環(huán))發(fā)電系統(tǒng)和Batelle生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)。王紅此使用催化劑加快對(duì)焦油的催化裂解.解決設(shè)備清潔安全問.梅等(0)從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度出發(fā),假定過程恒溫，在RAKESH題,保證正常的熱解氣化過程是很有必要的。劉海波等([5]研GOVIND煤氣化模型基礎(chǔ)上建立了完整動(dòng)力學(xué)模型,確立控究了含不同金屬助劑的Ni基催化劑Ni/PG對(duì)焦油去除率和制器相應(yīng)參數(shù)的調(diào)節(jié)方向，確定最佳的氣化參數(shù)設(shè)定值，獲得氫氣收率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含鐵助劑的6%Ni/PG催化高熱值、高品質(zhì)的燃?xì)庥糜诎l(fā)電。實(shí)驗(yàn)結(jié)論反映出溫度在整劑對(duì)焦油裂解最有利,氫氣收率最高;鐵含量增加有利于催化個(gè)氣化過程中對(duì)產(chǎn)出氣組成的影響。Cormas C C2)也報(bào)道了劑活性的提高,到鐵助劑含量為8%時(shí),焦油裂解轉(zhuǎn)化率由生物質(zhì)和煤聯(lián)合氣化并結(jié)合CCS( carbon capture and storage)64. 4%升高到99% ,而且氣體產(chǎn)物產(chǎn)率也增大,但鎳金屬價(jià)格方法制取氫氣,利用IGCC發(fā)電系統(tǒng)將氫能轉(zhuǎn)化為電力。昂貴,成本高。IGCC和cCS的綜合系統(tǒng)在碳的重新捕獲及再利用中起顯著Wang Tieun等163研究鼓泡流化床氣化系統(tǒng)中B104鐵作用,這種聯(lián)合氣化作用提高了I6CC系統(tǒng)能源利用率,大大鎂基氧化物催化劑和Ni0MgO催化劑的高活性催化作用對(duì)降低了COr排放量。重整反應(yīng)的影響后得出:750C時(shí)出口氣體中H2和C摩爾4結(jié)語體積分?jǐn)?shù)均明顯增加,CH、CO2、C2摩爾分?jǐn)?shù)降低，此時(shí)催化劑活性最高,CH4轉(zhuǎn)化率達(dá)91% ,CO2轉(zhuǎn)化率為93%,可得到目前世界很多國家在生物質(zhì)能利用方面已取得了顯著成較理相的合成氣。就.建立了規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)，特別是在發(fā)電、傳熱及燃?xì)夂稀?4●化工新型材料第40卷成方面。我國也已掌握了生物質(zhì)能開發(fā)利用的技術(shù)，對(duì)生物[9]趙廷林,王鵬,鄧大軍,等生物質(zhì)熱解研究現(xiàn)狀與展望[J].新質(zhì)熱解氣化機(jī)理了解深人。但是生物質(zhì)能在我國沒有得到應(yīng)能源產(chǎn)業(yè),2007,<5):54-60.有的重視程度.生物質(zhì)能利用技術(shù)沒有得到推廣,建議如下:[10]烏曉江 ,張忠孝,樸桂林,等高溫加壓氣流床內(nèi)生物質(zhì)氣化特①國家應(yīng)加大生物質(zhì)能開發(fā)的資金投人，引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備性的實(shí)驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程，2007.27(4) :630 634.[11] Song Tao, Wu Jiahua, Shen Laihong.et al. 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