生物質氣化技術及產業發展分析

北極星固廢網訊:摘要：生物質氣化用途廣泛、原料種類和規模適應性強，是實現生物質分布式開發利用和可燃固體廢棄物處理的效途徑，可部分替代化石能源、推進節能減排、助力實現可持續發展，在世界範圍內得到了廣泛應用。本文綜述了生物質氣化、燃氣淨化關鍵技術和供熱、發電、合成液體燃料等產業的發展現狀，在此基礎上對中國生物質氣化產業前景進行了展望。

0前言

生物質氣化用途廣泛且規模靈活，是能夠真正實現生物質「因地制宜」開發利用的有效途徑。分布式生物質氣化利用技術用戶廣泛，原料種類和規模適應性強，資金門檻要求較低，不同的規模下都具有一定的經濟性，比集中式利用更易於商業化。

從生物質資源利用的角度看，分布式生物質氣化產業符合中國生物質資源分散的特點，適合分散利用和工業應用，具有較強的適應能力和生存能力。因此，在中國發展生物質氣化技術有較好的應用前景。

包括氣化在內的生物質能利用技術的進展已有諸多綜述，要全面了解其發展動態、詳細闡述相關技術特徵並非易事。本文就生物質氣化技術及產業現狀和趨勢進行概括，予讀者以借鑑。

1氣化關鍵技術現狀和發展趨勢

1.1氣化爐

常見氣化爐的優勢與劣勢對比見表1。限制生物質氣化技術推廣的因素包括燃氣熱值低、焦油處理難、氣化效率低、爐內結渣和團聚等問題。

因此對氣化的研究主要方向為提高燃氣熱值或特定可燃氣體含量，降低燃氣焦油含量，提高氣化效率，提升原料適應性等。為提高燃氣熱值或特定可燃氣體含量，可採用水蒸氣氣化、富氧氣化、雙流化床氣化、化學鏈氣化和外熱式氣化等技術；為降低燃氣焦油含量，可利用新型氣化技術如兩段式氣化、氣流床氣化和等離子體氣化等技術。

但這些技術由於成本高、能耗大或技術瓶頸等問題，短期內難以得到規模化推廣。目前最成熟和應用最廣泛的依舊是常規固定床和流化床的空氣氣化。

林業生物質灰分較低、熱值較高，是目前歐美國家乃至中國氣化利用的主要原料。非木質生物質如秸稈、蔗渣、中藥渣等種植業和農產品加工業副產品，由於灰分較高、熱值較低、密度較小、水分含量高和成分複雜等原因，被視為低品質燃料。高灰分容易導致流化床內顆粒團聚、固定床高溫區結渣；密度小的原料，則容易造成架空和搭橋，不能在固定床直接使用。對低品質生物質燃料進行處理利用，一般需要烘乾、粉碎、成型或烘焙等預處理手段來提升燃料品質，也需要合理設計氣化爐以適應燃料特性；另外，與木質原料或煤共氣化也是利用低品質生物質的有效手段。

1.2燃氣淨化

由於生物質的不完全轉化，氣化反應過程不可避免地產生焦油和粉塵等雜質，這些雜質可導致下遊燃氣輸送管路及利用設備發生堵塞、腐蝕、結垢等，從而影響燃氣利用過程的效率及長期運行的穩定性[3]。內燃機、F-T合成、燃料電池等燃氣利用設備，對粗燃氣的潔淨程度要求較為嚴格[4]，必須採取有效措施將上述雜質的含量降低到設備可接受的範圍之內。因此，作為生物質氣化工藝的配套技術，燃氣淨化技術的研發具有重要的現實意義。

將粗燃氣水洗是最簡單且應用最廣泛的焦油脫除方法，脫除效率可達30%~70%。水洗通常在噴淋塔、文丘裡管等反應器中進行，粗燃氣與水以並流或逆流的形式直接接觸而被淨化，洗滌水通常循環使用並須定期更換或補充。這種方式的缺點是損失了粗燃氣的顯熱，並且焦油組分從氣相轉移到了液相，汙染水體的同時還將蘊含於焦油化合物中的能量不合理地丟棄了。

在900℃以上的高溫狀態下將焦油熱裂解可得到常溫不可凝氣體，能回收部分焦油中的能量，但裂解溫度須高於1100℃才能顯著進行[5]。這需要輸入額外的能量以再加熱粗燃氣，因此催化劑常被用來降低焦油裂解反應活化能。常用的催化劑[6]有白雲石、半焦、Ni基及貴金屬催化劑等。由於催化劑的引入，焦油裂解反應溫度大幅度降低至250~800℃，焦油裂解率的大小與催化劑的種類、反應條件等相關，從50%到高於95%均有報導，並且更多的焦油成分被選擇性地裂解為輕質氣體，因而可增加粗燃氣的熱值。但催化劑積碳反應的發生使該技術鮮有連續運行時間超過100h。

中國科學院廣州能源研究所（以下簡稱廣州能源研究所）在該領域的研究經歷了「水洗」−「催化淨化」−「等離子催化淨化」−「淨化−提質一體化」幾個發展階段，取得了一系列的研究成果。在基礎研究方面，先後開展了半焦[7]、白雲石[8-9]、Ni基催化劑[10-12]除焦油的研究，但實際應用過程中發現催化劑失活很快。2012年前後採用「高溫除塵+焦油吸收」工藝用於處理100Nm3/h的生物質粗燃氣，最高連續運行時間達7d[13-14]。但工藝流程較複雜，需要兩個串聯的反應器分別進行除塵和除焦油，投資成本較大，並需要相應的輔助設備，動力消耗嚴重。2015年起，廣州能源研究所開展了臨氧除塵除焦油[15]、等離子催化淨化提質一體化[16-18]等研究，現已搭建流光電暈等離子體反應器和介質阻擋放電反應器各1套，初步研究結果表明該方法可將焦油中的重質組分裂解為輕質焦油組分，但400℃下將輕質焦油組分繼續裂解為C4以下烷烴或烯烴所需能量密度為400~600J/L，經換算相當於生物質氣化發電總輸出電能的20%[17]。在此基礎上進一步開展了等離子體耦合催化裂解焦油的實驗研究[18]，採用傳統Ni基催化劑耦合等離子體放電，可在430℃條件下，達到100%的苯、甲苯脫除率，能量消耗為16.9g/(kW·h)，提高了焦油脫除效率的同時降低了能耗。在應用研究方面，開發了3000Nm3/h粗燃氣處理量的「旋風除塵−臨氧陶瓷過濾−水洗−電捕焦」燃氣淨化工藝，連續運行時間超過2000h，燃氣淨化後焦油與粉塵的含量分別為14mg/Nm3與43mg/Nm3[19]，潔淨燃氣可廣泛用於內燃機發電、化工品合成等過程。

1.3汙染物排放控制

工業有機固廢、垃圾及汙泥等廣義生物質，其主要元素組成為C、H、O、N、S及少量的Cl、鹼金屬等，產生於特定的工業生產過程，富含纖維素、蛋白質、木質素三大類，代表了一種已經被集中了的生物質資源[20]，可以通過熱化學途徑進行高效清潔轉化生產高品質燃料。然而，由於工業生物質廢物來源廣泛、成分複雜，含有一定量的N、S、Cl等汙染成分，其熱化學特性和汙染排放與普通生物質相比存在較大差異，以單位發熱量計算得到的汙染物排放濃度值較高，並非是一種傳統意義上的清潔燃料，針對其熱化學轉化過程汙染物排放與控制的研究具有重要的應用前景。氣化、熱解或者共燃等利用生物質能的方式是減排CO2、NOx和SOx的有效措施[21]；烘焙預處理有利於減少氣化過程中含N前驅物的生成[22]；生物質解耦氣化[23-24]則可望實現高效率、低汙染物排放、高產品質量、多聯產及廣譜燃料適應性的多目標優化。N2是唯一無汙染的含N物種，理論上有兩種方法可降低熱解氣化過程氮氧化物的生成量：①在熱解前和熱解過程中控制反應條件或添加催化劑使燃料N最大程度轉化為N2[21-22,25]；②利用熱解產生的HCN、NH3還原半焦氧化得到的NOx並生成N2[23-24,26]。S、Cl等汙染元素則採用在熱解氣化過程中添加固硫劑、固氯劑的方式，使之穩定化在以固態形式存在的爐渣或飛灰中。根據各汙染元素在熱化學轉化過程的賦存形態與特性，今後的研究將朝分而治之、多汙染物協同控制方向發展。

廣州能源研究所對富含N、Cl、S的工業生物質在熱解氣化階段汙染元素的遷移與轉化進行了研究。工業源生物質主要為藥渣、汙泥、豆秸等。以富N木質纖維素類[27-29]及非木質纖維素工業生物質廢棄物[30]、藥渣涼茶渣[31-32]等為原料，研究了在不同升溫速率、熱解終溫條件下不同含N官能團的N釋放規律，結合熱重分析和X射線光電子能譜表徵，對比研究了熱解過程NOx前驅物的生成特徵[29-30,33]，並對其中的機理進行了詳細分析[34-35]。此外，本研究組還在水熱條件下對市政汙泥、脫墨汙泥在加壓高溫水相環境裡N的遷移與轉化進行了研究[36-38]，為汙泥的高值化、能量化、減量化開闢了一條新途徑。在Cl、S遷移轉化研究方面，利用礦化垃圾製備衍生燃料，採用熱重紅外質譜聯用技術（TG-FTIR-MS）和水平管式熱解爐/化學吸收法，對比研究了礦化垃圾和常規垃圾衍生燃料熱解過程腐蝕性氣體（HCl和H2S）的析出特性，分析了熱解溫度及熱解類型對析出行為的影響，並對熱解固相產物腐蝕性元素的賦存特點進行了考察[39]。為不同垃圾衍生燃料的熱利用提供了一定依據和參考。

1.4灰渣綜合利用

生物質氣化過程中產生的灰渣是由生物質本身含有的灰分和氣化過程產生的副產物組成[40]。近年來，國內外學者針對生物質氣化灰利用進行了大量研究。EBERHARDT等[41]利用生物質灰製備出輕質保溫磚；SCHETTINO等[42]利用添加一定量甘蔗灰渣的茹土製備出陶瓷材料；QUARANTA等[43]以葵花籽殼灰為主要原料，附以不同比例的廢棄玻璃渣，成功製備出陶瓷製品；塗湘巍等[44]研究發現秸稈氣化灰渣中含有較多營養元素，其對改良土壤和農作物增產有一定的促進作用。稻殼灰由於其巨大的產量和獨特的物化特性，成為研究熱點。稻殼灰中SiO2含量佔87%~97%，還有少量的K2O、Na2O、MgO及Al2O3等[45]。根據稻殼灰中矽的物化特性，可分為非結晶態稻殼灰和結晶態稻殼灰。

非結晶態稻殼灰中矽多以無定型態存在，具有較強的反應性，可用於製備碳化矽、水玻璃、白碳黑及氣凝膠等多種化工產品[46-49]，但由於稻殼灰中含有多種無機礦物質，無法滿足這些產品對純度的要求，一定程度上制約了該方向的產業化進程。有研究發現無定型稻殼灰中的矽可與矽酸鹽水泥中的化學物質發生化學反應，提高了混凝土的強度[50-51]，以非結晶態稻殼灰替代現有水泥原料中的骨料，可以有效節約建築成本[52]。稻殼灰中的無定形SiO2也可作為危險廢物固化中的水泥外加劑[53]。

結晶態SiO2具有較好的耐高溫特性，可用於製備隔熱材料用於鋼鐵、絕熱材料、耐火磚和陶瓷生產[54]，添加有結晶態稻殼灰的隔熱材料已在煉鋼生產中商業化應用[55]。

2004年，CHAREONPANICH等[56]通過高溫煅燒的方法，利用稻殼製備出純度較高的白色SiO2，並以其為矽源，在特定的條件下製備出ZSM-5分子篩。而實際工業燃燒或氣化工藝產出的稻殼灰的雜質含量較高，無法直接用於製備ZSM-5分子篩。廣州能源研究所通過高溫鹼液水熱處理工藝提純電廠稻殼灰中的SiO2，以製備出的矽溶膠（RHA矽溶膠）為矽源，成功製備出K-ZSM-5分子篩[57]，並系統研究了模版劑用量、反應時間及未外加鋁源等對ZSM-5分子篩製備和合成殘液組成的影響，摸索出最優製備方案[58]。

2氣化產業發展現狀和趨勢

2.1總體狀況

在世界範圍內，生物質氣化主要用於供熱/窯爐、熱電聯產（combined heat and power,CHP）、混燃應用和合成燃料（圖1），目前規模最大的應用是CHP。20世紀80年代起，生物質氣化被美國、瑞典和芬蘭等國用於水泥窯和造紙業的石灰窯，既能保證原料供給又能滿足行業需求，具有較強的競爭力，但應用卻不多。20世紀90年代，生物質氣化開始被應用於熱電聯產、多用柴油或燃氣內燃機，生物質整體氣化聯合循環（biomass integrated gasification combined cycle,BIGCC）也成為研究熱點，在瑞典、美國、巴西等國建成幾個示範工程，由於系統運行要求和成本較高，大都已停止運行。1998年，生物質氣化混合燃燒技術已被用於煤電廠，將生物質燃氣輸送至鍋爐與煤混燃，目前已商業化運行。

生物質氣化最新的發展趨勢是合成燃料，利用氣化獲得一定H2/CO比的合成氣及通過合成反應生產液體燃料（如甲醇、乙醇和二甲醚），能部分替代現有的石油和煤炭化工。早在20世紀80年代，氣化合成燃料技術在歐美已經有了初步的發展。近年來，受可再生能源發展政策的激勵，各國加大了對氣化合成技術的關注和投入，美國在氣化合成燃料乙醇方面取得了很大的成就，其產能已達600億L/a[59]。

中國的生物質氣化主要用於發電/CHP、供熱/窯爐和集中供氣，已建成了從200kWe~20MWe不同規格的氣化發電裝置，氣化發電正向產業規模化方向發展，是國際上中小型生物質氣化發電應用最多的國家之一。較具代表性的項目包括廣州能源研究所「九五」期間建成的福建莆田1MWe穀殼氣化發電系統、海南三亞1MWe木粉氣化發電系統、河北邯鄲600kWe秸稈氣化發電系統，以及「十五」期間建成的江蘇興化5MWe氣化−蒸汽聯合循環電站。

氣化燃氣工業鍋爐/窯爐應用方面，中國的科研單位和企業也進行了探索。在廣州能源研究所技術支持下，廣東省已建立生物燃氣工業化完整的產業鏈條基礎，近幾年來成功地完成了幾十個生物質燃氣項目，典型項目包括常州運達印染、珠海麗珠合成製藥、深圳華美鋼鐵和廣州天天洗衣等項目。目前主要發展途徑為以生物質燃氣替代石化燃油、燃氣作為鍋爐/窯爐燃料。

利用生物質氣化技術建設集中供氣系統以滿足農村居民炊事和採暖用氣也已得到廣泛應用，自1994年在山東省桓臺縣東潘村建成中國第一個生物質氣化集中供氣試點以來，山東、河北、遼寧、吉林、黑龍江、北京、天津等省市陸續推廣應用生物質氣化集中供氣技術。據農業部統計，截至2010年底全國共建成秸稈氣化集中供氣站900處，運行數量為600處，供氣20.96萬戶，每個正在運行的氣化站平均供氣約350戶[61]。

2.2生物質氣化內燃機發電/CHP

生物質氣化發電/CHP可以通過蒸汽輪機、內燃機、燃氣輪機和燃料電池等多種方式實現。可根據終端用戶的需要靈活配置、選用合適的發電設備，規模一般在20kWe~10MWe之間，非常適用於分布式發電系統。目前應用最廣的是內燃機發電（圖2），其負荷可調性高，20%以上負荷就能運行，也可以多臺並聯運行。

生物質氣化獲得的燃氣熱值較低，H2含量較高，容易引起爆燃；生物質燃氣中的焦油容易引起點火系統失靈，燃燒產生的積炭會增加機械磨損；燃氣中的顆粒物也會增加設備磨損，嚴重時引起拉缸。所以生物質燃氣內燃機的配件損耗和潤滑油消耗一般比其他燃氣內燃機高。從氣化爐出來的燃氣需要經過淨化處理，內燃機和其他燃氣利用設備對燃氣的要求見表2。

對燃氣進行深度淨化的成本很高，為了應對燃氣中的焦油問題，通常有兩種方法：一是對內燃機進行定期清潔和維護以保證正常運行；二是將入口燃氣保持在燃氣殘存焦油冷凝溫度（約75℃）之上，適用於稀混合氣、高轉速、渦輪增壓的內燃機組，發電效率可高達40%[63]。國外的生物質燃氣內燃機多為低熱值燃氣與柴油共燒的雙燃料機組，大型的MW級機組和單燃料機組則主要由天然氣機組改造而成。中國用於生物質燃氣的內燃機主要由柴油發電機改造而成，採用低壓縮比、低轉速、燃氣和空氣進入氣缸前充分預混等措施，比較成熟的機組單機功率達到500kWe。

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