摘　要：SW／LJ固定床反火型生物質(zhì)氣化爐技術(shù)采用膜分離技術(shù)制取富氧空氣作為氣化劑，降低氮含量，提高熱值和氣化率；采用催化劑對焦油進(jìn)行催化裂解，在增加熱值的同時(shí)，減少污染和能源浪費(fèi)；采用催化劑對粗煤氣進(jìn)行甲烷化以進(jìn)一步提高熱值。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)氣化  固定床反火型氣化爐  富氧氣化  焦油催化裂解  甲烷化

Development of SW/LJ Fixed Bed Back-fire Type Biomase Gasifier

Abstract：For SW／LJ fixed bed back-fire type biomass gasifier technology，the oxygen-enriched air generated by the membrane separation technology is used as gasification agent to reduce nitrogen content and improve the calorific value and the gasification rate；the catalyst is used for catalytic cracking of tar to increase the calorific value and reduce pollution and energy waste；and the catalyst is used for methanation of coarse coal gas to further improve the calorific value．

Key words：biomass gasification；fixed bed back-fire type gasifier；rich oxygen gasification；catalytic cracking of tar；methanation

1　概述

生物質(zhì)能開發(fā)利用技術(shù)的研究是我國可持續(xù)發(fā)展技術(shù)的重要內(nèi)容之一，被列入我國21世紀(jì)發(fā)展議程。生物質(zhì)能具有可再生性、低污染性、廣泛分布性的特點(diǎn)^[1-3]，如何利用好這些可再生資源是我國能源可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)主要方向。生物質(zhì)集中供氣技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，為我國規(guī)?；蒙镔|(zhì)資源開辟了一條有效的途徑。它對于解決能源與環(huán)境這一當(dāng)今世界突出的社會問題具有重要意義^[4]。生物質(zhì)氣化爐是該技術(shù)的核心設(shè)備。衡量一種生物質(zhì)氣化爐的研究與設(shè)計(jì)成功與否，主要看該氣化爐是否能夠連續(xù)、穩(wěn)定、安全地生產(chǎn)出高質(zhì)量的生物質(zhì)燃?xì)狻?span lang="EN-US">

目前，我國農(nóng)村廣泛使用的生物質(zhì)氣化技術(shù)，主要是固定床氣化工藝，采用空氣為氣化劑^[5]。這種工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，可實(shí)現(xiàn)多種生物質(zhì)原料的熱解氣化，投資少，因此得到了廣泛應(yīng)用。但是，其產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档?，且焦油含量高，非常容易造成管路阻塞。其原因有兩個(gè)方面：第一，由于采用空氣為氣化劑，得到的生物質(zhì)氣中氮?dú)夂扛撸潴w積分?jǐn)?shù)通常在50％左右；第二，由于生物質(zhì)原料中水分及揮發(fā)分含量高、固定碳含量相對較低，使獲得的生物質(zhì)燃?xì)庵薪褂秃扛?sup>[6]。因此，我國目前廣泛應(yīng)用的生物質(zhì)氣化工藝還比較落后，必須對其進(jìn)行改進(jìn)，研制出既經(jīng)濟(jì)適用，氣體質(zhì)量又高的氣化裝置。

本研究將空氣氣化劑改為富氧氣化劑，并對焦油進(jìn)行催化裂解，同時(shí)借鑒煤氣化的甲烷化工藝對氣化后續(xù)過程進(jìn)行改進(jìn)，以期研制出技術(shù)先進(jìn)的生物質(zhì)氣化爐。

2　研究內(nèi)容

本研究的主要內(nèi)容是：將空氣氣化劑改為富氧氣化劑，降低氮含量，提高熱值；采用催化劑對焦油進(jìn)行催化裂解，在增加熱值的同時(shí)，減少污染和能源浪費(fèi)；采用催化劑對粗燃?xì)膺M(jìn)行甲烷化，進(jìn)一步提高熱值。

3　技術(shù)原理與性能特點(diǎn)

3．1　技術(shù)原理

SW／LJ固定床反火型生物質(zhì)氣化爐采用下吸式氣化爐，生物質(zhì)燃料由頂部裝入爐內(nèi)，靠重力逐漸下降，空氣從設(shè)計(jì)好的氧化層位置進(jìn)入(即喉口部位進(jìn)入)與已點(diǎn)燃的生物質(zhì)中的碳發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳，放出熱量。由于限氧燃燒，氧氣的供應(yīng)并不充分，因此不完全燃燒同時(shí)發(fā)生，生成一氧化碳，放出熱量。這些熱量為還原反應(yīng)、物料的熱解和干燥提供了熱源。還原區(qū)在氧化區(qū)的下部，氣化生成的富含焦油的燃?xì)庀蛳峦ㄟ^該區(qū)域。因?yàn)樵谶€原區(qū)不存在氧氣，所以氧化反應(yīng)中生成的二氧化碳同焦炭及水蒸氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣。由于喉部高溫氧化區(qū)(800～1200℃)和以熾熱焦炭為主的還原區(qū)的存在，燃?xì)庵械牟糠纸褂驮谕ㄟ^高溫區(qū)時(shí)被裂解為永久性小分子氣體(降溫時(shí)不凝結(jié)成液體)，燃料中的水分亦可參加反應(yīng)形成氫氣。其優(yōu)點(diǎn)是可隨時(shí)打開爐蓋添加燃料，空氣便于調(diào)節(jié)，燃燒穩(wěn)定，燃?xì)庵薪褂秃可?，燃料的適應(yīng)性強(qiáng)^[7]。

SW／LJ固定床反火型生物質(zhì)氣化爐與傳統(tǒng)的氣化爐相比，在以下方面做出了改進(jìn)：

①利用膜技術(shù)富氧氣化

選用板框式氣體膜分離器，從空氣中制取富氧空氣，提高氣化反應(yīng)速度，增強(qiáng)氣化強(qiáng)度，提高熱效率，在減少氣化劑用量的同時(shí)，使燃?xì)庵卸栊詺怏w氮?dú)夂繙p少，改善燃?xì)饨M成，從而提高燃?xì)鉄嶂怠?span lang="EN-US">

②利用催化劑對燃?xì)膺M(jìn)行焦油裂解

自氣化爐生產(chǎn)的含有焦油的生物質(zhì)燃?xì)猓?jīng)過除塵，進(jìn)入裝有催化劑的焦油裂解裝置。焦油裂解反應(yīng)器為固定床反應(yīng)器，裂解溫度控制在800℃左右，經(jīng)催化劑催化裂解后，氣化氣中焦油含量小于20mg／m³。

③利用催化劑對燃?xì)膺M(jìn)行甲烷化

生物質(zhì)燃?xì)膺M(jìn)入甲烷化裝置，甲烷化反應(yīng)器內(nèi)充裝了耐硫甲烷化催化劑。在催化劑的作用下，一氧化碳和氫氣發(fā)生反應(yīng)，生成甲烷，使燃?xì)獾臒嶂档玫教岣?，也使氣體的組成得到改善^[8]。

3．2　工藝流程

SW／LJ固定床反火型生物質(zhì)氣化爐是生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)的核心，該氣化爐主要功能是把生物質(zhì)等固體原料轉(zhuǎn)換成氣體燃料。具體工藝流程見圖l。生物質(zhì)原料由爐頂送入氣化爐，同時(shí)，加入由膜氣體分離器產(chǎn)生的富氧空氣，經(jīng)過熱解氧化和還原反應(yīng)，產(chǎn)生的燃?xì)庀冗M(jìn)入旋風(fēng)除塵器分離出燃?xì)庵休^大的顆粒飛灰，然后進(jìn)入焦油裂解裝置，對焦油進(jìn)行深度裂解；而后，生物質(zhì)燃?xì)膺M(jìn)入甲烷化裝置進(jìn)行反應(yīng)；之后再經(jīng)過冷卻裝置使氣體迅速降至室溫；最后，經(jīng)凈化裝置過濾即可得到清潔燃?xì)猓善啡細(xì)膺M(jìn)入儲氣罐儲存。

4　技術(shù)性能

該氣化爐氣化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，依據(jù)NY／T443-2001《秸稈氣化供氣系統(tǒng)技術(shù)條件及驗(yàn)收規(guī)范》對該系統(tǒng)進(jìn)行檢測，主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

5　結(jié)語

生物質(zhì)氣化項(xiàng)目的開發(fā)與推廣，多年來國家一直給予高度重視，該項(xiàng)目對調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)，尤其是調(diào)整我國農(nóng)村能源利用方式有著戰(zhàn)略意義，同時(shí)對我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、環(huán)保意識的加強(qiáng)有著直接的推動(dòng)作用。在科學(xué)技術(shù)部、農(nóng)業(yè)部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的大力支持下，各級政府已把秸稈氣化技術(shù)列入科技產(chǎn)業(yè)計(jì)劃、農(nóng)村潔凈能源調(diào)整計(jì)劃、產(chǎn)業(yè)扶貧、環(huán)境保護(hù)等專項(xiàng)基金扶持的技術(shù)領(lǐng)域和稅收優(yōu)惠政策的扶持產(chǎn)業(yè)。該項(xiàng)目符合國家產(chǎn)業(yè)政策，是國家重點(diǎn)扶持的技術(shù)領(lǐng)域，也是目前大多數(shù)發(fā)展中國家正在積極引進(jìn)和開發(fā)推廣的項(xiàng)目。

我國生物質(zhì)氣化人員做了很多的研究，基本掌握了生物質(zhì)氣化規(guī)律，也開發(fā)了一些生物質(zhì)氣化技術(shù)的應(yīng)用工藝。但由于或多或少地存在著氣化效率不高、原料通透性不強(qiáng)、燃?xì)饨褂秃扛?、燃?xì)鉄嶂迪鄬^低、灰分含量高等問題，極大影響了燃?xì)獾暮罄m(xù)利用以及推廣使用。當(dāng)前我國生物質(zhì)氣化技術(shù)研究應(yīng)側(cè)重以下方面：①研制高效、經(jīng)濟(jì)的氣化裝置，提高燃?xì)鉄嶂?，解決好燃?xì)獾暮罄m(xù)處理，尤其是焦油的處理問題；②借鑒國外先進(jìn)、成熟的工藝，提高研究起點(diǎn)；③隨著生物質(zhì)氣化技術(shù)研究的深入，把具有較好應(yīng)用前景的技術(shù)盡快工業(yè)化；④對已存在但尚不完善的工藝進(jìn)行技術(shù)改造。

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本文作者：于江華  王湘寧  于京春  李  新  宋海寧  徐  方

作者單位：中交煤氣熱力研究設(shè)計(jì)院有限公司