前 言

盡管人們對(duì)能源的生物需求日益增長(zhǎng)，然而作為人類(lèi)目前主要能源來(lái)源的質(zhì)氣化石燃料卻迅速地減少，也許不久的生物將來(lái)會(huì)被用盡。七十年代的質(zhì)氣能源危機(jī)也證明了這一點(diǎn)。因此，生物尋找一種可再生的質(zhì)氣替代能源便成為社會(huì)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。生物質(zhì)能源是生物一種理想的可再生能源，它來(lái)源廣泛，質(zhì)氣每年都有大量的生物工業(yè)、農(nóng)業(yè)及森林廢棄物產(chǎn)出。質(zhì)氣即使不被用于生產(chǎn)能源，生物這些廢棄物的質(zhì)氣處理也是令人頭疼的事情。僅歐盟每年便產(chǎn)出五億噸(干基)這類(lèi)物質(zhì)[1]。生物另外，質(zhì)氣世界上87%的生物能源需求[2]來(lái)源于化石燃料，這些燃料燃燒時(shí)，向大氣中排放出大量的二氧化碳。而生物質(zhì)作為燃料時(shí)，由于生物質(zhì)在生長(zhǎng)時(shí)需要的二氧化碳量相當(dāng)于它燃燒時(shí)排放的二氧化碳量，因而對(duì)大氣的二氧化碳凈排放量近似于零。而且，生物質(zhì)中硫的含量極低，基本上無(wú)硫化物的排放。所以，利用生物質(zhì)作為替代能源，對(duì)改善環(huán)境，減少大氣中二氧化碳含量從而減少“溫室效應(yīng)”都有極大的好處。因此，將生物質(zhì)作為化石燃料的替代能源，便會(huì)向社會(huì)提供一種各方面都可被接受的可再生能源。

生物質(zhì)氣化技術(shù)是本世紀(jì)出現(xiàn)的利用生物質(zhì)作為能源的一種新技術(shù)，至今已有了較快的發(fā)展。很多研究人員在該領(lǐng)域進(jìn)行了不同技術(shù)的研究。尤其是近年來(lái)歐洲很多技術(shù)人員對(duì)生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并取得了相當(dāng)?shù)某晒５覈?guó)目前在該領(lǐng)域的研究較少。本文簡(jiǎn)單介紹生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)和中-意合作項(xiàng)目“生物質(zhì)氣化發(fā)電及綜合利用”。

氣化發(fā)電原理及工藝流程

經(jīng)處理的（以符合不同氣化爐的要求）生物質(zhì)原料，由進(jìn)料系統(tǒng)送進(jìn)氣化爐內(nèi)。由于有限地提供氧氣，生物質(zhì)在氣化爐內(nèi)不完全燃燒，發(fā)生氣化反應(yīng)，生成可燃?xì)怏w—?dú)饣瘹狻饣瘹庖话闩c物料進(jìn)行熱交換以加熱生物質(zhì)原料，然后經(jīng)過(guò)冷卻及凈化系統(tǒng)。在該過(guò)程中，灰分、固體顆料、焦油及冷凝物被除去，凈化后的氣體即可用于發(fā)電，通常采用蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)。

氣化爐

氣化爐是生物質(zhì)氣化的主要設(shè)備。在這里，生物質(zhì)經(jīng)燃燒、氣化轉(zhuǎn)化為可燃?xì)狻饣癄t分固定床氣化爐、流化床氣化爐及攜帶床氣化爐。

1.1固定床氣化爐

固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式`橫吸式及開(kāi)心式氣化爐種類(lèi)型。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

下吸式固定床氣化爐的特征是氣體和生物質(zhì)物料混合向下流動(dòng)。通過(guò)高溫喉管區(qū)（只有下吸式設(shè)有喉管區(qū)）。生物質(zhì)在喉管區(qū)發(fā)生氣化反應(yīng)，而且焦油也可以木炭床上進(jìn)行裂解。一般情況下，下吸式固定床氣化爐不設(shè)爐柵，但如果原料尺寸較小也可設(shè)爐柵。此種氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行比較可靠，適于較干的大塊物料或低灰分大塊同少量粗糙顆料的混合物料，其最大處理量是500kg/h。目前歐洲的一些國(guó)家已用于商業(yè)運(yùn)行。

上吸式固定床氣化爐的特點(diǎn)是氣體的流動(dòng)方向與物料運(yùn)動(dòng)方向相反。向下流動(dòng)的生物質(zhì)原料被向上流動(dòng)的熱氣體烘干、裂解。在氣休爐底部，固定碳與空氣中的氧氣進(jìn)行不完全燃燒、氣化，產(chǎn)生可燃?xì)怏w。上吸式固定床氣化爐的熱效率比其它固定床氣化爐的高。且對(duì)原料要求不很?chē)?yán)格。盡管目前沒(méi)有較大型號(hào)，便在原理上其容量不受限制。該種氣化爐主要應(yīng)用在歐洲及東南亞一些國(guó)家。

橫吸式固定床氣化爐的特點(diǎn)是空氣由側(cè)方向供給，產(chǎn)出氣體由側(cè)向流出。氣體流橫向通過(guò)燃燒氣化區(qū)。它主要用于木炭氣化。在南美洲應(yīng)用廣泛并投入商業(yè)運(yùn)行。

開(kāi)心式固定床化爐同下吸式相似，氣流同物料一起向下流動(dòng)。但是由轉(zhuǎn)動(dòng)爐柵代替了喉管區(qū)。主要反應(yīng)在爐柵上部的燃燒區(qū)進(jìn)行。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且運(yùn)行可靠。它是由我國(guó)研制的，主要用于稻殼氣化，并已投入商業(yè)運(yùn)行多年。

1.2 流化床氣化爐

流化床氣化爐具有氣、固接觸，混合均勻和轉(zhuǎn)換率高的優(yōu)點(diǎn)，是唯一在恒溫床上進(jìn)行反應(yīng)的氣化爐，反應(yīng)溫度為700~850℃，，原料要求相當(dāng)小的顆粒。其氣化反應(yīng)在流化床內(nèi)進(jìn)行，產(chǎn)生的焦油也可在流化床內(nèi)裂解。流化介質(zhì)一般選用惰性材料（如砂子），由于灰渣的熱性質(zhì)易發(fā)生床結(jié)渣而喪失流化床功能，因此要控制好運(yùn)行溫度。

流化床氣化爐分單床氣化爐、循環(huán)氣化爐和雙床氣化爐。單床氣化爐只有一個(gè)流化床，氣化后生成的氣化氣直接進(jìn)入凈化系統(tǒng)中；循環(huán)流化床的流化速度較高，能使產(chǎn)出氣體中帶走大量固體，經(jīng)旋風(fēng)分離器后使這些固體返回流化床，與單床相比，提高了碳的轉(zhuǎn)化率；雙流化床與循環(huán)床相似，不同的是第1級(jí)反應(yīng)器的流化介質(zhì)被第2級(jí)反應(yīng)器加熱。在第1級(jí)反應(yīng)器中進(jìn)行裂解反應(yīng)。第2級(jí)反應(yīng)器中進(jìn)行氣化反應(yīng)，雙流化床的碳轉(zhuǎn)化率也很高。

1.3攜帶床氣化爐

攜帶床氣化爐是流化床氣化爐的一種特例，它不使用惰性材料，提供的氣化劑直接吹動(dòng)生物質(zhì)原料。該氣化爐要求原料破碎成細(xì)小顆粒，其運(yùn)行溫度高達(dá)成1100~1300℃，產(chǎn)出氣體中焦油成分及冷凝物含量很低，碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%。由于運(yùn)行溫度高易燒結(jié)。故選材較難。

2. 氣化產(chǎn)物及處理

不同氣化爐及不同氣化方式產(chǎn)出氣體成分也不相同。其氣體成分在5MJ/Nm3（低熱值氣體）~15MJ/Nm3（中熱值氣體）之間，

氣體的凈化主要是除去產(chǎn)出氣體中的固體顆粒、可冷凝物及焦油。常用旋風(fēng)分離器，水浴清洗器及生物質(zhì)過(guò)濾器來(lái)凈化氣體。焦油問(wèn)題是影響氣化氣使用的最大障礙，水浴清洗器除焦油效果較其它過(guò)濾器稍好些，。

發(fā)電方式

（1）作為蒸汽鍋爐的燃料燃燒生產(chǎn)蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。這種方式對(duì)氣體要求不很?chē)?yán)格，直接在鍋爐內(nèi)燃燒氣化氣。氣化氣經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器除去雜質(zhì)和灰分即可使用，不需冷卻。燃燒器在氣體成分和熱值有變化時(shí)，能夠保持穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，排放物污染少。

（2）在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種利用方式要求氣化壓力在10~30kg/cm2，氣化氣也不需冷卻，但有灰塵、雜質(zhì)等污染的問(wèn)題。

（3）在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種方式應(yīng)用廣泛，而且效率較高。但該種方式對(duì)氣體要求嚴(yán)格，氣化氣必須凈化及冷卻。

中-意合作項(xiàng)目“生物質(zhì)氣化發(fā)電及綜合利用”

遼寧省能源研究所目前與意大利ENEA正在進(jìn)行“生物質(zhì)氣化發(fā)電及綜合利用”項(xiàng)目的合作研究。雙方技術(shù)人員已對(duì)意大利提供的固定床氣化發(fā)電系統(tǒng)及測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。其性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；雙方技術(shù)人員共同設(shè)計(jì)了流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)，目前正在意大利制造。

固定床氣化爐氣發(fā)電系統(tǒng)

該套系統(tǒng)由意大利設(shè)計(jì)制造，雙方共同調(diào)試實(shí)驗(yàn)。之后，將安裝在遼寧省能源研究所實(shí)驗(yàn)室，供有關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行生物質(zhì)氣化發(fā)電研究。

該系統(tǒng)以木材為原料，采用下吸式氣化爐，喉管區(qū)尺寸為300mm，氣化爐直徑為500mm。凈化系統(tǒng)分別由旋風(fēng)分離器，噴淋凈化器、除濕裝置和生物質(zhì)過(guò)濾器組成。發(fā)電機(jī)是TERSSI公司生產(chǎn)的既可用油也可用氣化氣作燃料的多用發(fā)電機(jī)，容量為30kＷ。該系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

喉管區(qū)反應(yīng)溫度：850-950℃

產(chǎn) 氣 量：90Nm3/h

產(chǎn) 氣 比：1.8

氣 化 氣 熱 值：4.6-5.4MJ/Nm3

發(fā) 電 量：30kW

氣化氣凈化后焦油含量：〈10mg/Nm3

流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)

由于該系統(tǒng)最后將在營(yíng)口一木材加工廠示范運(yùn)行，因此是以該木材加工廠的加工廢棄物和稻殼為原料雙方共同設(shè)計(jì)的。流化床采用砂子，床高1.5m。反應(yīng)溫度800℃。該氣化爐一個(gè)最大特點(diǎn)是采用雙流化區(qū)設(shè)計(jì)，即將流化床分為左右兩個(gè)區(qū)，兩個(gè)區(qū)的流化速度不同，并且生物質(zhì)和床體材料可在兩個(gè)區(qū)進(jìn)行循環(huán)，強(qiáng)化了流化效果，使氣化反應(yīng)更加充分。

氣化爐產(chǎn)生的氣化氣經(jīng)空氣預(yù)熱器與氣化介質(zhì)進(jìn)行熱交換，然后經(jīng)過(guò)噴淋清洗塔除焦油后送入儲(chǔ)氣柜，發(fā)電機(jī)為兩臺(tái)TERSSI公司的８０kＷ多用發(fā)電機(jī)。該系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如下：

流化床反應(yīng)溫度：800℃

產(chǎn) 氣 量：430 Nm3/h

產(chǎn) 氣 比：1.7

氣 化 氣 熱 值：5-5.6 MJ/Nm3

發(fā) 電 量：160 kW

氣化氣凈化后焦油含量：〈10mg/Nm3

結(jié)語(yǔ)

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，有豐富的農(nóng)業(yè)廢棄資源，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)日趨完善，具有廣闊的應(yīng)用前景。固定床氣化技術(shù)以農(nóng)業(yè)、林業(yè)廢棄物為原料，用于小規(guī)模氣化發(fā)電系統(tǒng)，面積農(nóng)村、林區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)，操作方便、簡(jiǎn)單；流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)適用于大、中規(guī)模，可以用農(nóng)業(yè)和林產(chǎn)工業(yè)廢棄物作原料，面向工業(yè)企業(yè)，生產(chǎn)的電可供企業(yè)自身用電，也可并入電網(wǎng)。另外流化床氣化發(fā)電技術(shù)還可以應(yīng)用在城市垃圾處理領(lǐng)域。