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秸秆热解气化技术的现状及应用

秸秆热解气化技术是近年来发展的一项较新的秸秆利用技术,即将秸秆转化为气体燃料的热化学过程。秸秆在气化反应器中氧气不足的条件下发生部分燃烧,以提供气化吸热反应所需的热量,使秸秆在700—850℃左右的气化温度下发生热解气化反应,转化为含H2、CO和低分子烃类的可燃气体。秸秆热解气化得到的可燃气体既可以直接作为锅炉燃料供热,又可以经过除尘、除焦、冷却等净化处理后,为燃气用户集中供气,或者驱动燃气轮发电机或燃气内燃发电机发电。

(一)国内外技术研发现状

1.国外技术研发现状 国外生物质气化技术研究主要集中在气化发电、合成甲醇以及热电联产等方面。美国及欧洲等发达国家农业生产以农场为主,生物质资源集中,合同收购额大,并且由于其森林覆盖率高,生物质资源多为木材以及林业加工废弃物,其生物质气化朝着规模化、自动化、集成化方向发展,但采取的工艺复杂,造价昂贵。目前应用的主要有生物质气化联合循环发电(B/IGCC)以及热电联产(CHP)等,发电效率和综合热效率都较高。欧美发达国家对生物质气化技术也进行了多年的研究,主要将其用于发电,B/IGCC是应用比较广泛的生物质气化发电技术。目前国际上有很多发达国家开展这方面研究并建成多个兆瓦级示范工程,如美国Battelle(63兆瓦)和夏威夷(6兆瓦)项目,欧洲英国(8兆瓦)、芬兰(6兆瓦)以及瑞典Varnamo示范工程等。这些示范工程的原料以木材和经过预处理成型后的生物质原料为主。采用IGCC技术的生物质发电系统主要问题是系统造价高。以意大利12兆瓦的IGCC示范项目为例,发电效率约为31.7%,但建设成本高达25 000元/千瓦,发电成本约1.2元/千瓦时,实用性很差。近年来,发达国家也研究了其他技术路线,如比利时和奥地利的生物质气化外燃式燃气轮机发电技术,美国的斯特林发动机发电技术,在提高发电效率的前提下降低生产成本,但技术仍未成熟,成本依然很高,尚处于示范阶段。

西方国家对基于固定床的生物质气化发电系统也进行了研究,但低密度生物质的固定床气化发电面临着许多技术难题。目前,意大利AnticheTerreToscana和芬兰技术研究中心正在进行低密度生物质固定床气化技术的研究,并且已经被列入欧盟的JOULE/THERMIE计划中。在热电联产方面,瑞典、丹麦等北欧国家已成功实施了生物质气化的区域热电联产计划,使生物质在提供高品位电能的同时满足供热的要求。瑞典的地区供热和热电联产,生物质能源占到所消耗能源的26%;奥地利建立了燃烧木材剩余物的区域供电、供热系统,目前已有容量为1~2兆瓦的区域供热站近100个。

2.我国技术研发现状

我国目前生物质气化应用最广泛的领域是集中供气以及中小型气化发电,少量用于工业锅炉供热。农村集中供气工程解决了农作物秸秆的焚烧和炊事用能问题,而生物质气化发电主要针对具有大量生物质废弃物的木材加工厂、碾米厂等工业企业。我国的秸秆气化主要用于供热、供气、发电及化学品合成。

(1)秸秆气化供热。秸秆气化供热是指秸秆经过气化炉气化后,生成的燃气送人下一级燃烧器中燃烧,为终端用户提供热能。秸秆气化供热技术广泛应用于区域供热和木材、谷物等农副产品的烘干等,与常规木材烘干技术相比具有升温快、火力强、干燥质量好的优点,并能缩短烘干周期,降低成本。

(2)秸秆气化供气。秸秆气化供气是指气化炉产生的生物质燃气通过相应的配套设备为居民提供炊事用气。秸秆气化供气又分为集中供气和单独供气两种类型。

①秸秆气化集中供气。生物质气化集中供气系统是20世纪90年代以来在我国发展起来的一项新的生物质能源利用技术。它是在农村的一个村或组建立一个生物质气化站,将生物质经气化炉气化后转变成燃气,通过输气管网输送和分配到用户,系统规模一般为数十户至数百户。目前,我国已广泛推广利用生物质气化技术建设集中供气系统,以满足农村居民炊事和采暖用气。

在秸秆气化集中供气系统中,气化炉的选用是根据不同的用气规模来确定的,如果供气户数较少,选用固定床气化炉;如果供气户数多(一般多于1 000户),则使用流化床气化炉更好。秸秆燃气的炉具与普通的城市煤气炉具有所区别,国内此类炉具的生产厂家也较多,效果也较好,可以满足用户要求。

②户用秸秆气化供气。该种方式为一家一户的农村居民使用,户用小型秸秆气化炉,产生的燃气直接接人炉灶使用,系统具有体积小、投资少的优点。但也有显著的缺点:由于气化炉与灶直接相连,生物质燃气未得到任何净化处理,因而灶具上连接管及气化炉都有焦油渗出,卫生很差,且易堵塞连接管及灶具;因气化炉较小,气化条件不易控制,产出气体中可燃气成分质量不稳,并且不连续,影响燃用,甚至有安全问题;从点火至产气需要有一定的启动时间,增加了劳动时间,而且该段时间内烟气排放也是个问题。

③秸秆气化发电。我国在生物质气化方面有一定的基础。早在20世纪60年代初就开展了这方面的研究工作,近20年来加快了生物质气化发电技术的进一步研究,开发的中小规模气化发电系统具有投资少、原料适应性和规模灵活性好等特点,已研制成功的中小型生物质气化发电设备功率从几千瓦到5 000千瓦。

气化炉的结构有层式下吸式、开心式、下吸式和常压循环流化床气化炉等,采用单燃料气体内燃机和双燃料内燃机,单机最大功率已达500千瓦。

农业废弃物气化发电技术经过近年来的研究、探索,分别解决了流化床气化、焦油裂解、低热值燃气机组改造、焦油污水处理和系统控制及优化等各种核心技术,在技术的产品化和标准化研究、提高农业废弃物气化发电站的成套性和实用性方面取得较大进展,形成了具有我国特色的农业废弃物能源利用方式。我国的生物质气化发电正在向产业规模化方向发展,在国内推广很快,而且设备还出口到泰国、缅甸、老挝等东南亚国家和地区。目前已签订的中小型农业废弃物气化发电项目总装机容量40兆瓦以上,成为国际上应用最多的中小型生物质气化发电系统。

我国的生物质IGCC示范系统正在建设之中,装机容量为4~6兆瓦。该技术与国外先进的同类技术相当,而设备已全部实现国产化,投资不到国外的2/3,运行成本比国外低50%左右。而目前已有应用的秸秆直燃发电要求生物质资源集中,数量巨大,在大规模利用下才有明显的经济效益。以前我国该技术应用发展较少,国内近期开始从发达国家引进该技术,但项目投资成本高,进口技术的投资成本在1.1万元/千瓦以上,是我国气化发电的1.5倍以上。

目前,通过使用催化剂将CO和H2合成为甲醇、二甲醚的技术已经比较成熟,生物质气化得到的气体中含有CO和H2成分,所以,在一定条件下用生物质气化得到的气体作为合成气原料生产甲醇、二甲醚,为运输业提供代用燃料是可行的,而且这已成为目前研究的重点。美国国家可再生能源实验室正研究用此法合成甲醇,目标是使合成的甲醇成本低于车用汽油。我国在利用生物质气化合成气制甲醇、二甲醚方面也进行了探索性实验研究。