关键词: 生物质 固定床 流化床 气化 发电

前 言
尽管人们对能源的需求日益增长，然而作为人类目前主要能源来源的化石燃料却迅速地减少，也许不久的将来会被用尽。七十年代的能源危机也证明了这一点。因此，寻找一种可再生的替代能源便成为社会普遍关注的焦点。生物质能源是一种理想的可再生能源，它来源广泛，每年都有大量的工业、农业及森林废弃物产出。即使不被用于生产能源，这些废弃物的处理也是令人头疼的事情。仅欧盟每年便产出五亿吨(干基)这类物质[1]。另外，世界上87%的能源需求[2]来源于化石燃料，这些燃料燃烧时，向大气中排放出大量的二氧化碳。而生物质作为燃料时，由于生物质在生长时需要的二氧化碳量相当于它燃烧时排放的二氧化碳量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零。而且，生物质中硫的含量极低，基本上无硫化物的排放。所以，利用生物质作为替代能源，对改善环境，减少大气中二氧化碳含量从而减少“温室效应”都有极大的好处。因此，将生物质作为化石燃料的替代能源，便会向社会提供一种各方面都可被接受的可再生能源。

生物质气化技术是本世纪出现的利用生物质作为能源的一种新技术，至今已有了较快的发展。很多研究人员在该领域进行了不同技术的研究。尤其是近年来欧洲很多技术人员对生物质气化发电技术进行了大量的研究，并取得了相当的成果。但我国目前在该领域的研究较少。本文简单介绍生物质气化发电技术和中-意合作项目“生物质气化发电及综合利用”。

气化发电原理及工艺流程
（图略）
图1 生物质气化发电工艺流程示意图

图1为生物质气化发电工艺流程示意图，经处理的（以符合不同气化炉的要求）生物质原料，由进料系统送进气化炉内。由于有限地提供氧气，生物质在气化炉内不完全燃烧，发生气化反应，生成可燃气体—气化气。气化气一般与物料进行热交换以加热生物质原料，然后经过冷却及净化系统。在该过程中，灰分、固体颗料、焦油及冷凝物被除去，净化后的气体即可用于发电，通常采用蒸汽轮机、燃气轮机及内燃机。

气化炉
气化炉是生物质气化的主要设备。在这里，生物质经燃烧、气化转化为可燃气。气化炉分固定床气化炉、流化床气化炉及携带床气化炉。

1.1固定床气化炉

固定床气化炉可分为下吸式、上吸式`横吸式及开心式气化炉种类型。其结构如图2所示。

下吸式固定床气化炉的特征是气体和生物质物料混合向下流动。通过高温喉管区（只有下吸式设有喉管区）。生物质在喉管区发生气化反应，而且焦油也可以木炭床上进行裂解。一般情况下，下吸式固定床气化炉不设炉栅，但如果原料尺寸较小也可设炉栅。此种气化炉结构简单，运行比较可靠，适于较干的大块物料或低灰分大块同少量粗糙颗料的混合物料，其最大处理量是500kg/h。目前欧洲的一些国家已用于商业运行。

上吸式固定床气化炉的特点是气体的流动方向与物料运动方向相反。向下流动的生物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解。在气休炉底部，固定碳与空气中的氧气进行不完全燃烧、气化，产生可燃气体。上吸式固定床气化炉的热效率比其它固定床气化炉的高。且对原料要求不很严格。尽管目前没有较大型号，便在原理上其容量不受限制。该种气化炉主要应用在欧洲及东南亚一些国家。

横吸式固定床气化炉的特点是空气由侧方向供给，产出气体由侧向流出。气体流横向通过燃烧气化区。它主要用于木炭气化。在南美洲应用广泛并投入商业运行。

开心式固定床化炉同下吸式相似，气流同物料一起向下流动。但是由转动炉栅代替了喉管区。主要反应在炉栅上部的燃烧区进行。结构简单而且运行可靠。它是由我国研制的，主要用于稻壳气化，并已投入商业运行多年。

表1是固定床化炉对原料的一般要求。

表1 固定床气化炉对原料的要求

1.2 流化床气化炉

流化床气化炉具有气、固接触，混合均匀和转换率高的优点，是唯一在恒温床上进行反应的气化炉，反应温度为700~850℃，，原料要求相当小的颗粒。其气化反应在流化床内进行，产生的焦油也可在流化床内裂解。流化介质一般选用惰性材料（如砂子），由于灰渣的热性质易发生床结渣而丧失流化床功能，因此要控制好运行温度。

流化床气化炉分单床气化炉、循环气化炉和双床气化炉。单床气化炉只有一个流化床，气化后生成的气化气直接进入净化系统中；循环流化床的流化速度较高，能使产出气体中带走大量固体，经旋风分离器后使这些固体返回流化床，与单床相比，提高了碳的转化率；双流化床与循环床相似，不同的是第1级反应器的流化介质被第2级反应器加热。在第1级反应器中进行裂解反应。第2级反应器中进行气化反应，双流化床的碳转化率也很高。

1.3携带床气化炉

携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例，它不使用惰性材料，提供的气化剂直接吹动生物质原料。该气化炉要求原料破碎成细小颗粒，其运行温度高达成1100~1300℃，产出气体中焦油成分及冷凝物含量很低，碳转化率可达100%。由于运行温度高易烧结。故选材较难。

2. 气化产物及处理

不同气化炉及不同气化方式产出气体成分也不相同。其气体成分在5MJ/Nm3（低热值气体）~15MJ/Nm3（中热值气体）之间，见表2。

表2 各种气化炉产出气体热值

□：低热值气体 ○：中热值气体

气体的净化主要是除去产出气体中的固体颗粒、可冷凝物及焦油。常用旋风分离器，水浴清洗器及生物质过滤器来净化气体。焦油问题是影响气化气使用的最大障碍，水浴清洗器除焦油效果较其它过滤器稍好些，。

发电方式
生物质气化发电有3种方式，如图1所示。

（1）作为蒸汽锅炉的燃料燃烧生产蒸汽带动蒸汽轮机发电。这种方式对气体要求不很严格，直接在锅炉内燃烧气化气。气化气经过旋风分离器除去杂质和灰分即可使用，不需冷却。燃烧器在气体成分和热值有变化时，能够保持稳定的燃烧状态，排放物污染少。

（2）在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。这种利用方式要求气化压力在10~30kg/cm2，气化气也不需冷却，但有灰尘、杂质等污染的问题。

（3）在内燃机内燃烧带动发电机发电。这种方式应用广泛，而且效率较高。但该种方式对气体要求严格，气化气必须净化及冷却。

中-意合作项目“生物质气化发电及综合利用”
辽宁省能源研究所目前与意大利ENEA正在进行“生物质气化发电及综合利用”项目的合作研究。双方技术人员已对意大利提供的固定床气化发电系统及测试分析系统进行了调试实验和测试。其性能达到了设计要求；双方技术人员共同设计了流化床气化发电系统，目前正在意大利制造。

固定床气化炉气发电系统
该套系统由意大利设计制造，双方共同调试实验。之后，将安装在辽宁省能源研究所实验室，供有关技术人员进行生物质气化发电研究。

该系统以木材为原料，采用下吸式气化炉，喉管区尺寸为300mm，气化炉直径为500mm。净化系统分别由旋风分离器，喷淋净化器、除湿装置和生物质过滤器组成。发电机是TERSSI公司生产的既可用油也可用气化气作燃料的多用发电机，容量为30kＷ。该系统主要技术参数如下：

喉管区反应温度：850-950℃

产 气 量：90Nm3/h

产 气 比：1.8

气 化 气 热 值：4.6-5.4MJ/Nm3

发 电 量：30kW

气化气净化后焦油含量：〈10mg/Nm3

流化床气化发电系统
由于该系统最后将在营口一木材加工厂示范运行，因此是以该木材加工厂的加工废弃物和稻壳为原料双方共同设计的。流化床采用砂子，床高1.5m。反应温度800℃。该气化炉一个最大特点是采用双流化区设计，即将流化床分为左右两个区，两个区的流化速度不同，并且生物质和床体材料可在两个区进行循环，强化了流化效果，使气化反应更加充分。

气化炉产生的气化气经空气预热器与气化介质进行热交换，然后经过喷淋清洗塔除焦油后送入储气柜，发电机为两台TERSSI公司的８０kＷ多用发电机。该系统的技术参数如下：

流化床反应温度：800℃

产 气 量：430 Nm3/h

产 气 比：1.7

气 化 气 热 值：5-5.6 MJ/Nm3

发 电 量：160 kW

气化气净化后焦油含量：〈10mg/Nm3

结语
中国是一个农业大国，有丰富的农业废弃资源，生物质气化发电技术日趋完善，具有广阔的应用前景。固定床气化技术以农业、林业废弃物为原料，用于小规模气化发电系统，面积农村、林区及偏远地区，操作方便、简单；流化床气化发电系统适用于大、中规模，可以用农业和林产工业废弃物作原料，面向工业企业，生产的电可供企业自身用电，也可并入电网。另外流化床气化发电技术还可以应用在城市垃圾处理领域。

利用生物质气化发电技术既可以生产电能同时也使农业和林产工业废弃物得到有效处理，因而不但是有社会经济效益，也减少了处理这些废弃物时造成的环境污染。