生物质气化技术及产业发展分析（2）

生物质气化技术及产业发展分析（2）

作者：刘华财 吴创之 谢建军 等

1.2燃气净化

由于生物质的不完全转化，气化反应过程不可避免地产生焦油和粉尘等杂质，这些杂质可导致下游燃气输送管路及利用设备发生堵塞、腐蚀、结垢等，从而影响燃气利用过程的效率及长期运行的稳定性。内燃机、F-T合成、燃料电池等燃气利用设备，对粗燃气的洁净程度要求较为严格，必须采取有效措施将上述杂质的含量降低到设备可接受的范围之内。因此，作为生物质气化工艺的配套技术，燃气净化技术的研发具有重要的现实意义。

将粗燃气水洗是最简单且应用最广泛的焦油脱除方法，脱除效率可达30%~70%。水洗通常在喷淋塔、文丘里管等反应器中进行，粗燃气与水以并流或逆流的形式直接接触而被净化，洗涤水通常循环使用并须定期更换或补充。这种方式的缺点是损失了粗燃气的显热，并且焦油组分从气相转移到了液相，污染水体的同时还将蕴含于焦油化合物中的能量不合理地丢弃了。

在900℃以上的高温状态下将焦油热裂解可得到常温不可凝气体，能回收部分焦油中的能量，但裂解温度须高于1100℃才能显著进行。这需要输入额外的能量以再加热粗燃气，因此催化剂常被用来降低焦油裂解反应活化能。常用的催化剂有白云石、半焦、Ni基及贵金属催化剂等。由于催化剂的引入，焦油裂解反应温度大幅度降低至250~800℃，焦油裂解率的大小与催化剂的种类、反应条件等相关，从50%到高于95%均有报道，并且更多的焦油成分被选择性地裂解为轻质气体，因而可增加粗燃气的热值。但催化剂积碳反应的发生使该技术鲜有连续运行时间超过100h。

中国科学院广州能源研究所（以下简称广州能源研究所）在该领域的研究经历了“水洗”?“催化净化”?“等离子催化净化”?“净化?提质一体化”几个发展阶段，取得了一系列的研究成果。在基础研究方面，先后开展了半焦、白云石、Ni基催化剂除焦油的研究，但实际应用过程中发现催化剂失活很快。2012年前后采用“高温除尘+焦油吸收”工艺用于处理100Nm3/h的生物质粗燃气，最高连续运行时间达7d。但工艺流程较复杂，需要两个串联的反应器分别进行除尘和除焦油，投资成本较大，并需要相应的辅助设备，动力消耗严重。2015年起，广州能源研究所开展了临氧除尘除焦油、等离子催化净化提质一体化等研究，现已搭建流光电晕等离子体反应器和介质阻挡放电反应器各1套，初步研究结果表明该方法可将焦油中的重质组分裂解为轻质焦油组分，但400℃下将轻质焦油组分继续裂解为C4以下烷烃或烯烃所需能量密度为400~600J/L，经换算相当于生物质气化发电总输出电能的20%。在此基础上进一步开展了等离子体耦合催化裂解焦油的实验研究，采用传统Ni基催化剂耦合等离子体放电，可在430℃条件下，达到100%的苯、甲苯脱除率，能量消耗为16.9g/(kW·h)，提高了焦油脱除效率的同时降低了能耗。在应用研究方面，开发了3000Nm3/h粗燃气处理量的“旋风除尘?临氧陶瓷过滤?水洗?电捕焦”燃气净化工艺，连续运行时间超过2000h，燃气净化后焦油与粉尘的含量分别为14mg/Nm3与43mg/Nm3，洁净燃气可广泛用于内燃机发电、化工品合成等过程。

1.3污染物排放控制

工业有机固废、垃圾及污泥等广义生物质，其主要元素组成为C、H、O、N、S及少量的Cl、碱金属等，产生于特定的工业生产过程，富含纤维素、蛋白质、木质素三大类，代表了一种已经被集中了的生物质资源，可以通过热化学途径进行高效清洁转化生产高品质燃料。然而，由于工业生物质废物来源广泛、成分复杂，含有一定量的N、S、Cl等污染成分，其热化学特性和污染排放与普通生物质相比存在较大差异，以单位发热量计算得到的污染物排放浓度值较高，并非是一种传统意义上的清洁燃料，针对其热化学转化过程污染物排放与控制的研究具有重要的应用前景。气化、热解或者共燃等利用生物质能的方式是减排CO2、NOx和SOx的有效措施；烘焙预处理有利于减少气化过程中含N前驱物的生成；生物质解耦气化则可望实现高效率、低污染物排放、高产品质量、多联产及广谱燃料适应性的多目标优化。N2是唯一无污染的含N物种，理论上有两种方法可降低热解气化过程氮氧化物的生成量：①在热解前和热解过程中控制反应条件或添加催化剂使燃料N最大程度转化为N2；②利用热解产生的HCN、NH3还原半焦氧化得到的NOx并生成N2。S、Cl等污染元素则采用在热解气化过程中添加固硫剂、固氯剂的方式，使之稳定化在以固态形式存在的炉渣或飞灰中。根据各污染元素在热化学转化过程的赋存形态与特性，今后的研究将朝分而治之、多污染物协同控制方向发展。