关于生物质气化技术及产业化应用的研究

  作者：郑晓敏

  生物质热化学转化是生物质能源利用技术的重要方面，可以实现高效综合利用。热分解（气化）和热裂解是生物质热化学转化技术平台的两大核心内容，生物质气化技术包括生物质直接气化和生物质间接气化两种，本文重点介绍和分析了生物质间接气化技术及其产业化高效应用的案例。

1  生物质间接气化技术

    生物质间接气化技术适用于多种可再生的生物质燃料，包括城市污泥、生活垃圾、农作物残余物、木材残余物和木质生物质等。通过生物质气化技术可以将这些生物质转化为高热值的生物质甲烷气以及热、电。

    生物质气化技术的核心部分包括：①生物质燃料在气化炉(BFB)中进行气化；②用蒸汽对气化炉进行鼓泡流动；③气化器中生成的焦炭、焦油在燃烧炉( CFB)中燃烧加热床底物；④燃烧炉中的床底物返回气化炉中对生物质进行气化。生物质间接气化示意图见图1。

2生物质间接气化流程和工业化应用案例

    瑞典的GoBiGas项目，是典型的采用生物质间接气化流程生产生物质甲烷气的工业化应用案例。GoBiGas项目位于瑞典的哥德堡市Harbor港，全名为哥德堡生物质气化项目(Gothenburg Biomass Gasifica-tion Projects)。目标是通过生物质气化以生产生物质甲烷气，实现生物质甲烷气通入到城市现有的燃气管道，气体最终被用作汽车用气和家用燃气，以解决天燃气不足和实现对生物质的高效综合利用。该项目得到了欧盟委员会的支持和资助，由瑞典能源部提供项目资金。项目的工艺过程包括两个部分：生物质气化流程（芬兰维美德公司提供生物质精炼技术）和粗合成气甲烷化流程（丹麦Haldor Topsoe公司提供技术）。GoBiGas项目流程图见图2。

    项目分为两个阶段实施，一期项目是示范项目，生产量为20 MW的生物质甲烷气（类似天然甲烷气）；二期项目为产量80～100 MW的生物质甲烷气，真正实现商业化。一期项目已经于2014年初正式投产，生产的生物质甲烷气主要用于运输行业，服务于全瑞典200多个CNG加气站，供超过4万辆燃气车辆使用。二期计划于2016年投入运营。

2.1生物质气化流程

    由图2中生物质气化的流程可以看出，林业废渣进行干燥处理，然后同木片混合，进行燃料化预处理，再送入鼓泡式流化床气化炉，这个过程与循环式流化床燃烧炉结合，循环式燃烧炉对生物质热分解后的焦炭、焦油进行燃烧，产生热和蒸汽，蒸汽用来作为气化炉的加热和鼓泡、热分解和其他的使用，循环式流化床燃烧炉的床底物进入气化器中循环对木片和林业废渣进行热分解。该过程分解出来的气体为粗合成气，其中包含有焦油、颗粒物、硫化物、氮化物、卤素、重金属、碱金属等多种杂质，这些杂质会导致后续工艺中出问题，尤其是容易引起甲烷化催化剂失活。因此，这些粗合成气在进入甲烷化工艺装置前需进行清洁净化过程，去除焦油和硫等杂质。循环式流化床燃烧炉产生的热和烟道气可以进行利用，以保证生物质气化过程产生的气和热都能实现有效性和环保性。

2.2合成气甲烷化流程

    在GoBiGas项目中，包括了甲烷化工厂和热电厂，以实现生物质的高能效综合利用，通过输入林业废渣，输出车用燃气、社区供热和供电。由图2中的甲烷化流程可以看出，生物质气化出来的粗合成气经过脱焦和脱硫（称之为合成气）后，需要进行合成气调整和合成气转化才能最终产生生物质甲烷气。

2. 2.1合成气调整

    粗合成气中H2的比例比CO低，在进入甲烷化装置前需提高H2的比例，以满足甲烷化反应的要求，H2比例的变换也被称为合成气调整。一般通过水气变换反应来实现。由于面工序不能完全去除硫化物，水气变换采用酸性耐硫催化剂。水汽变换的反应化学式见式(1)，同时合成气中不饱和烯烃也转化为CO和H2小分子。

2.2.2合成气甲烷化转化

    合成气进行甲烷化反应，就是将H2和C02转化为CH4。这个过程化学反应式见式(2)和式(3)。

    所有合成气转化为CH4后，经过去除C02，得到生物质甲烷气。转化过程的技术核心是催化反应器的设计和催化剂的选择。目前催化剂一般选择钴钼系或镍钼系耐硫催化剂，该催化剂的优点在于耐硫、对原料气体里杂质含量适应性强。另外，去除出来的C02被用于其他工业生产用气，作为该项目的副产品出售。

2.3 -期示范工厂

    示范工厂外景图见图3。一期示范项目已经于2014年12月全面达产，并实现了并入城市天然气供气网，合成气中的甲烷气含量达到95%以上，每年满足15000辆小车和400辆公交车的用气。在生物质燃料的使用上更加广泛和灵活。根据瑞典的规划，目前二期项目正在建设中。

    一期示范工厂运行情况：

    (1)产出的生物质甲烷气成分：压力，约500K Pa;  CH4 >94%;H2 <2.O%;(C02 +N2)  <4.0%.

    (2)能量转化率：生物质到生物质甲烷气> 65%；能效>90%；年运行时间8000 h。

    (3)能耗：燃料（木片）32 MW；电能3 MW；热能（热油）0.5 MW。

    (4)产出：生物质甲烷气20 MW；分布式热能5 MW；热泵热能6 MW。

    在欧洲，类似工厂还有奥地利的Gussing项目和德国的Senden项目，其主要产出物为热电，但均不及GoBiGas项目先进。而GoBiGas项目是世界上第一个大型气化生产甲烷的项目。据悉，2020年前瑞典还将在其他地区建设10 ~15个类似项目，热分解（气化）技术在欧洲的应用已经趋于成熟。

3结语

    生物质热分解技术可以实现热、电、气联产，并能推动化工行业和林产行业的联动发展，把生物质的高效综合利用变为现实。生物质热分解技术在环保方面的贡献是显而易见的，更重要的它可以减少人类对化石能源的依赖，实现能源供给的可持续性发展。

采用生物质热分解技术生产燃气在我国发展的相对缓慢，一方面是由于化石能源成本相对低廉，另一方面，国内的林业废渣被直接燃烧或改作别的用途。但随着政府环保力度的不断加大、人们环保意识的增强和对环境要求的提高，生物质热分解技术的应用将会是我国解决城市雾霾降低PM25和高效利用林业残渣、农作物残留物和城市垃圾的有效技术和发展方向之一，加深和推进生物质技术的研发和应用势在必行。 

4 摘要：生物质热分解（气化）技术是生物质热转化技术的核心之一，分为生物质直接气化技术和生物质间接气化技术。生物质间接气化技术可以实现生物合成气、热、电的高效联产。本文介绍和分析了欧洲已经建成的第一个大型生物甲烷气示范项目和实现生物质甲烷气并网用于汽车用气和居家燃气的流程。