生物质气化技术工业化应用与气化炉选择

李仁贵

（安徽华东化工医药工程有限责任公司 合肥 230031）

生物质资源包括各种果树枝条、果壳和各种农林加工剩余物（秸秆、稻壳等）等。在我国，由于其资源丰富，品种多样，用途广泛，生物质资源已经得到较为广泛的利用。生物质气化比煤气化更麻烦一些，主要挑战是气化温度不足够高时产生的焦油含量高，给后续净化工艺带来麻烦。现在的固定床和流化床都外加焦油分解反应器，能达到减少焦油的目的。与煤物质资源比较，生物质具有自身物质结构和生物特性的特殊性，目前国内生物质气化技术相对成熟的技术主要有循环流化床气化技术和固定床气化技术两种，本产业项目技术方案选用生物质秸秆成型技术及固定床连续气化技术生产生物合成气（燃气）。

1 气化炉型的选择

以生物质秸轩为原料采用低压、高温气化的方法生产合成气（燃气），经过多重净化的合成气输送至气柜储存供后工序使用。合成气产自气化炉，并依次流经以下主要设备：秸轩收集→秸轩粉碎→秸轩干燥→秸轩成型→气化炉→双竖管吸收塔→ 一级电捕焦油器→洗涤塔→ 二级电轻捕焦油器→脱硫塔→湿式储气柜。其中气化系统中固定床气化炉设计和设备选型是工艺技术成败的关键。

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。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。目前国内规模化的商业运行案例很少。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，在气化过程中，原料在生物质气化炉内自上向下要依次经过干燥、干馏（热解）、还原和氧化四个阶段，以及相关各层主要的反应式见下图所示。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。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。目前国内尚无规模化的商业运行案例。 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。目前国内规模化的商业运行案例很少。

图1 上吸式固定床气化炉工作原理示意图

本产业项目生产工艺采用连续式固定床气化技术，采用专有技术的生物质气化燃气发生炉，以经压制成型的生物秸轩作为气化原料，使用空气与水蒸气的混合气为气化剂生产合成气 。炉内物料床由下向上分为：灰渣层、氧化层、还原层、干馏层和干燥层。其中灰渣层有预热气化剂的作用： 正常运行时维持高温气化的热能主要由在氧化层燃烧掉的部分秸轩放热提供，氧化层最高温度通常在800-1000℃：还原层中主要发生高温气化还原反应 ，生成可燃合成气体； 干馏层中秸轩则在一定的温度下析出挥发分及其他干馏产物；最上层的干燥层可使秸秆原料中的水分受热蒸发 。发生炉产生的气化气、干馏气及焦油等混合气由炉体顶部排出进入合成气净化系统。干合成气热值约为 7.5-8MJ/Nm3。燃气发生炉由上中下三部分组成，上部包括给料机 、炉盖和拨火孔等；中部为炉体外壳 、蒸汽水套和炉筐；下部包括灰盘及传动装置 、通风箱、排渣刀等。本项目气化过程用作气化剂的空气由鼓风机送入气化剂入炉管，来自蒸汽集气器的水蒸气通过止逆阀与空气混合并流经发生炉底部鼓风箱入炉，发生炉的气化温度可通过调节饱和温 度的高低即蒸汽量的大小来加以控制 。空气压力约为100mmHg，采用孔板流量计测量给风量。给风系统设有专门的空气鼓风机间 。本项目的灰渣由发生炉自动落入干式灰箱，机械化出灰装置将灰渣从销箱输出，随后由机械传动将灰渣运出。

2 合成气的净化

合成气经发生炉气体出口进入双竖管吸收塔被喷淋水清洗降温，除去大部分灰尘和部分焦油，温度由 150-250℃（由原料性质及气化负荷确定）降至 70℃左右。出竖管后经隔离水封去一级电捕焦油器，脱除所夹带的大部分焦油雾。随后，合成气进入洗涤塔分别经热水和冷水喷淋洗涤，去除残留焦油、灰尘以及水分，洗涤塔出来的合成气温度降至 35℃ 左右。洗涤塔后设置二级电捕焦油器，进一步捕获合成气中的残余焦油，使合成气中焦油的含量低于 10mg/Nm3。秸轩合成气的硫化氢含量一般较低，故采用常压湿法碱液脱疏，出塔硫化氢含量小于20mg/Nm3。为确保后工序的平稳生产，净化后的合成气送气柜储存。本项目装置工艺水循环设备有冷却塔、冷水池、热水槽、沉淀槽 、隔油浮选罐、曝气罐和水泵等。水循环系统分为：冷循环、热循环和水处理循环，均采用不锈钢等材料制作。冷循环水由冷循环泵自冷水池抽出，加压送至洗涤塔上部冷段，压力为 4kg/cm3左右，温度为 30-35℃。在洗涤塔中通过喷头将水淋洒在填料上形成液膜与合成气充分接触，在使合成气降温的同时水温升至 45℃左右。这部分水然后流入冷却塔被冷却并流回冷水池。冷循环水比较干净，且仍可适时补充新鲜水控制水质 ，多余的冷循环水流入热水池进入热水循环。热循环水由热循环泵加压后分别打入双竖管顶部 、洗涤塔中下部热段以及水封中，温度约为50℃。热循环水在双竖管中喷淋而下，经与热合成气热交换后温度上升至 60℃左右，这部分水与洗涤塔底部流出的污水均汇入沉淀隔油池，经澄清处理之水流入热水池循环使用。长期循环使用后，灰粒、焦油和其他杂质会逐渐富集热循环水中，将不定期地引入较为干净的冷循环水，同时，部分热循环水将进入水处理循环系统， 处理毕重流回热水循环系统，达到控制热循环水质的目的。生产过程中部分热循环水进入水处理系统，经沉淀隔油、浮选和曝气组合工艺处理后回用。因重力差异，沉淀隔油池热水中比重小于 1的焦油杂质上浮至水面，大 于1的其他机械杂质沉于池底，分别定期予以分离去除。在平流式浮选池中注入凝聚剂并以细泡形式鼓入空气 ，水中的乳化油颗粒将附在气泡表面一起浮升至水面，便于分离。经隔油浮选的循环水最后进入生化曝气池，其中的有机物被微生物降解去除，控制参数为：pH 6-9 、温度约 38℃，经上述步骤处理后，水质明显改善，可回到热水循环系统继续使用。因不属外排水，水处理的要求指标不高。发生炉水套用水为软化水，软水由蒸汽集气器下降管流入水套，受热部分汽化， 形成的汽水混合物通过上升管到达集气器，分理出的水蒸汽经止逆阀与空气气化剂合 流进入气化炉。气化副产物产生的灰渣即草木灰，可以采用混合其它有机肥或化学肥料制成生物质碳基肥外售 。秸轩焦油拟作为燃料或化工原料外售。

3 结语

生物质能具有资源分布广、环境影响小、清洁可持续利用等优点，是目前应用最为广泛的可再生能源，能源与消费总量仅次于煤炭、石油、天然气，位居第四位。随着社会的进步，经济的发展，人们越来越重视能源的清洁循环利用，我国目前能源供需矛盾尖锐，结构不合理；能源利用效率低；一次能源消费以煤为主，化石能源的大量消费造成严重的环境污染。满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，对能源科技发展提出重大挑战。目前，生物质资源被认为是代替化石资源的最佳选择。目前在国内已经工业化实际运行的生物质固定床气化炉有Φ3000mm、Φ3200mm、Φ3600mm、Φ4000mm等几种规模，依据不同生物质的理化特性差异，气化炉的气化强度一般可达到600～800Nm3/m2.h。Φ3000mm的生物质固定床气化炉单炉的标准发气量约为4500～5000Nm3/h；Φ4000mm气化炉单炉的标准发气量约为8000～10000Nm3/h。本产业项目设备的选型原则是侧重性价比、先进性和高能效，除生物质固定床气化炉为专利设备外无特殊要求的设备，设备材料选型已经完全实现国产化。