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秸秆类生物质的热解和气化(1)

北极星电力网技术频道    作者:佚名  2012/10/26 14:38:15   

  所属频道:  环保    关键词: 循环流化床 生物质发电 秸秆

摘 要:用高新技术将农村秸秆类生物质转化为优质能源,对中国农民生活质量的提高,促进农村经济发展,保护环 境,具有重要意义。低热值燃气的一些工艺技术上较为成熟,并在一些地区得到了应用,但有些问题尚待完善,在商业化推广方面面临一些困难。开发燃气成本较低 的秸秆制中热值煤气生产工艺,以满足广大农村对优质能源的需求,解决农村小城镇高品位能源的缺乏,是目前我国农村新能源发展战略的重点之一。以林业废料为 原料,用快速热解技术转化成液体燃料是国际上生物质利用研究的一个热点,多种工艺的中试研究正在进行,有的达到工业示范阶段。中科院化冶所在研究了秸秆热 解特性的基础上,验证了外部加热的小型流化床气化效果;提出了不用纯氧和蒸汽,在循环流化床中生产中热值煤气的新方案。实验表明新构思流程简化,操作方便 有望实现商业化经营。已经进行了玉米秸秆粉快速热解制生物油的探索性研究,获得了50%左右的液体产品,同时还副产中热值煤气。建议在“十五”期间,对用 新技术转化秸秆类生物质的研究开发给予支持。

1、高新技术转化秸秆类生物质能的意义

我国农村人口占全国总人口的70%以上,而人均商品能耗仅为城市平均水平的七分之一。随着农村经济快速发展、农民生活水平提高,农村城市化进程的加快,优质商品能源供应短缺的矛盾将日趋突出。

我国石油资源不足,继续增加煤炭燃烧将加剧环境污染,增加新能源在农村能源总需求中的比例是解决农村经济可持续发展的重要选择。在农村可用的新能源中,太阳能、风能、地热等受到地域和季节的限制,或者成本较高,在农村能源使用总量上难以占主导地位。

众所周知,生物质具有可再生、产量巨大、碳循环等突出优点,研究开发生物质能高效、低成本、优质的转化技术,有利于近期满足农村需要,保护环境,也为人类更合理地利用化石能源、保障长期可持续发展创造了条件。

我国具有丰富的生物质资源,1996年农作物秸秆总产量超过7亿吨,其中约45%用作畜牧饲料、工业原料和造肥还田,还有约4亿吨的秸秆被低效 地作为生活燃料,甚至废弃和就地焚烧。运用高技术将巨大的资源就地转化为优质能源,对于农村社会经济的可持续发展,农村能源的产业化开发将起重要作用,也 将为农村在2010年达到小康、2050年我国综合国力达到世界中等发达国家水平作出贡献。

3、国内外生物质热解气化研究开发现状

国内概况

在国内有关部委组织领导下,生产低热值燃气的固定床、流化床生物质气化装置相继研制成功,并开始投放市场。在山东、河北、北京等地,ND型、 XFF型、GMQ型等下吸式气化器已用于燃气供热和农村集中供生活用燃气。已有100多套容量为60-240KW的稻壳气化发电机组投入运行,生物质燃气 发电机组也已开发成功。这些气化装置的特点是操作比较简单,但燃气热值一般在5 MJ/M3 左右,在焦油清除长期稳定运行方面还有待改善。尤其用于农村集中供气系统,由于煤气热值低,气柜和管网的投资比例达到40%以上,使成本提高,难于进行商 业化运行,影响进一步发展和推广。

生产中热值煤气的气化设备研制方面也取得了初步成果,热载体循环的木屑气化装置获得了11 MJ/M3以上的煤气,单产达到1.0 Nm3/kg左右。固定床式干馏气化产气量达到330 m3/日,煤气转化率在40%左右。为了解决推广应用的一些难点,国内一些高等院校和科研院所在生物质热解特性、焦油裂解、煤气净化等方面做了大量应用研 究,取得不少成果。

最近几年,在利用快速热解技术将生物质转化成液体燃料和化学品方面已开始了试验研究。一些简化操作、降低投资成本,适合农村地区推广应用的生产中热值煤气工艺也取得了一些进展。

国外研究开发进展

国外中小型固定层生物质气化炉已经实现商品化,配合燃气发电,功率从40kw—100kw的机组已经定型出售。产热量达到5万MJ/hr的大型流化床生物质气化装置已开发成功。

采用氧气或氧气-水蒸汽作为气化剂的工业中热值煤气发生工艺仍在进行研究。周期操作制备中热值煤气的小型民用装置常有报道。固体热载体循环生物质热解气化的示范工程正在运转。气化方面的研究重点在焦油的催化裂解、煤气高温除尘、联合循环发电等方面。

在高新技术生物质转化技术中,生物质快速热解制生物油技术成为研究开发的重点。在缺氧、反应温度在450℃---550℃范围,加热速率达到每 分钟几千度以及气相停留时间小于1秒的条件下,生物质可以转化成70%左右的液体产品,这种称之谓生物油的热解液体主要含有乙酸、低聚糖、酚类、氧化了的 杂环化合物及醇类等。这种生物油热值约16 MJ/kg,粘度40 CSt,pH值3.2左右,含灰分和硫分很低,经过初步处理可以作为工业炉燃料,也可混合酒精作为燃气透平燃料,进一步精制提质,可以转化成车用液体燃 料。

由于热解工艺过程较为简单、投资低、液体产物收率高,产品可以储存等原因,北美和欧洲一些国家纷纷加快了研究进度、出现了多种快速热解反应装置,如载流床、流化床、真空移动床、旋转锥等等,以林业下脚料为原料的一些热解装置已进入开发阶段。

由加拿大Ensyn公司过程开发的生物质快速热解工艺,已计划在意大利建立一座欧洲最大的日产10吨生物液体燃料的工厂;加拿大Dyna Motive也正在进行可生产24吨生物油的工艺放大工作;美国Red Arrow、西班牙Union Fenosa都在进行商业性示范运转。

3、用新技术转化秸秆类生物质资源

国外生物质转化资源主要是林产品下脚料,气化工艺规模大,多数与发电配套。我国林产废料较少,农村秸秆丰富,尚未充分利用。显然利用秸秆资源, 开发工艺较为简单、原料利用率较高、燃气成本较低的中热值煤气生产工艺是近期的主要目标。而从秸秆等生物质制取液体产品,并副产优质煤气的新工艺有必要及 早起步,取得我国自主的专利技术。

基于上述认识,中国科学院化工冶金研究所对产量最大,约占粮食作物秸秆量40%的玉米秸秆进行了热解气化性质和反应器的研究。

玉米秸秆粉的热解性质

热解实验是在一套外加热的下落式反应器中进行的。实验系统如图1所示。

来源:中国新能源发电网
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