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  作者：鄭曉敏

  生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是生物質(zhì)能源利用技術(shù)的重要方面，可以實(shí)現(xiàn)高效綜合利用。熱分解（氣化）和熱裂解是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)平臺的兩大核心內(nèi)容，生物質(zhì)氣化技術(shù)包括生物質(zhì)直接氣化和生物質(zhì)間接氣化兩種，本文重點(diǎn)介紹和分析了生物質(zhì)間接氣化技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化高效應(yīng)用的案例。

1  生物質(zhì)間接氣化技術(shù)

    生物質(zhì)間接氣化技術(shù)適用于多種可再生的生物質(zhì)燃料，包括城市污泥、生活垃圾、農(nóng)作物殘余物、木材殘余物和木質(zhì)生物質(zhì)等。通過生物質(zhì)氣化技術(shù)可以將這些生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高熱值的生物質(zhì)甲烷氣以及熱、電。

    生物質(zhì)氣化技術(shù)的核心部分包括：①生物質(zhì)燃料在氣化爐(BFB)中進(jìn)行氣化；②用蒸汽對氣化爐進(jìn)行鼓泡流動；③氣化器中生成的焦炭、焦油在燃燒爐( CFB)中燃燒加熱床底物；④燃燒爐中的床底物返回氣化爐中對生物質(zhì)進(jìn)行氣化。生物質(zhì)間接氣化示意圖見圖1。

2生物質(zhì)間接氣化流程和工業(yè)化應(yīng)用案例

    瑞典的GoBiGas項(xiàng)目，是典型的采用生物質(zhì)間接氣化流程生產(chǎn)生物質(zhì)甲烷氣的工業(yè)化應(yīng)用案例。GoBiGas項(xiàng)目位于瑞典的哥德堡市Harbor港，全名為哥德堡生物質(zhì)氣化項(xiàng)目(Gothenburg Biomass Gasifica-tion Projects)。目標(biāo)是通過生物質(zhì)氣化以生產(chǎn)生物質(zhì)甲烷氣，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)甲烷氣通入到城市現(xiàn)有的燃?xì)夤艿�，氣體最終被用作汽車用氣和家用燃?xì)�，以解決天燃?xì)獠蛔愫蛯?shí)現(xiàn)對生物質(zhì)的高效綜合利用。該項(xiàng)目得到了歐盟委員會的支持和資助，由瑞典能源部提供項(xiàng)目資金。項(xiàng)目的工藝過程包括兩個(gè)部分：生物質(zhì)氣化流程（芬蘭維美德公司提供生物質(zhì)精煉技術(shù)）和粗合成氣甲烷化流程（丹麥Haldor Topsoe公司提供技術(shù)）。GoBiGas項(xiàng)目流程圖見圖2。

    項(xiàng)目分為兩個(gè)階段實(shí)施，一期項(xiàng)目是示范項(xiàng)目，生產(chǎn)量為20 MW的生物質(zhì)甲烷氣（類似天然甲烷氣）；二期項(xiàng)目為產(chǎn)量80～100 MW的生物質(zhì)甲烷氣，真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。一期項(xiàng)目已經(jīng)于2014年初正式投產(chǎn)，生產(chǎn)的生物質(zhì)甲烷氣主要用于運(yùn)輸行業(yè)，服務(wù)于全瑞典200多個(gè)CNG加氣站，供超過4萬輛燃?xì)廛囕v使用。二期計(jì)劃于2016年投入運(yùn)營。

2.1生物質(zhì)氣化流程

    由圖2中生物質(zhì)氣化的流程可以看出，林業(yè)廢渣進(jìn)行干燥處理，然后同木片混合，進(jìn)行燃料化預(yù)處理，再送入鼓泡式流化床氣化爐，這個(gè)過程與循環(huán)式流化床燃燒爐結(jié)合，循環(huán)式燃燒爐對生物質(zhì)熱分解后的焦炭、焦油進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生熱和蒸汽，蒸汽用來作為氣化爐的加熱和鼓泡、熱分解和其他的使用，循環(huán)式流化床燃燒爐的床底物進(jìn)入氣化器中循環(huán)對木片和林業(yè)廢渣進(jìn)行熱分解。該過程分解出來的氣體為粗合成氣，其中包含有焦油、顆粒物、硫化物、氮化物、鹵素、重金屬、堿金屬等多種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會導(dǎo)致后續(xù)工藝中出問題，尤其是容易引起甲烷化催化劑失活。因此，這些粗合成氣在進(jìn)入甲烷化工藝裝置前需進(jìn)行清潔凈化過程，去除焦油和硫等雜質(zhì)。循環(huán)式流化床燃燒爐產(chǎn)生的熱和煙道氣可以進(jìn)行利用，以保證生物質(zhì)氣化過程產(chǎn)生的氣和熱都能實(shí)現(xiàn)有效性和環(huán)保性。

2.2合成氣甲烷化流程

    在GoBiGas項(xiàng)目中，包括了甲烷化工廠和熱電廠，以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的高能效綜合利用，通過輸入林業(yè)廢渣，輸出車用燃?xì)狻⑸鐓^(qū)供熱和供電。由圖2中的甲烷化流程可以看出，生物質(zhì)氣化出來的粗合成氣經(jīng)過脫焦和脫硫（稱之為合成氣）后，需要進(jìn)行合成氣調(diào)整和合成氣轉(zhuǎn)化才能最終產(chǎn)生生物質(zhì)甲烷氣。

2. 2.1合成氣調(diào)整

    粗合成氣中H2的比例比CO低，在進(jìn)入甲烷化裝置前需提高H2的比例，以滿足甲烷化反應(yīng)的要求，H2比例的變換也被稱為合成氣調(diào)整。一般通過水氣變換反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。由于面工序不能完全去除硫化物，水氣變換采用酸性耐硫催化劑。水汽變換的反應(yīng)化學(xué)式見式(1)，同時(shí)合成氣中不飽和烯烴也轉(zhuǎn)化為CO和H2小分子。

2.2.2合成氣甲烷化轉(zhuǎn)化

    合成氣進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，就是將H2和C02轉(zhuǎn)化為CH4。這個(gè)過程化學(xué)反應(yīng)式見式(2)和式(3)。

    所有合成氣轉(zhuǎn)化為CH4后，經(jīng)過去除C02，得到生物質(zhì)甲烷氣。轉(zhuǎn)化過程的技術(shù)核心是催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和催化劑的選擇。目前催化劑一般選擇鈷鉬系或鎳鉬系耐硫催化劑，該催化劑的優(yōu)點(diǎn)在于耐硫、對原料氣體里雜質(zhì)含量適應(yīng)性強(qiáng)。另外，去除出來的C02被用于其他工業(yè)生產(chǎn)用氣，作為該項(xiàng)目的副產(chǎn)品出售。

2.3 -期示范工廠

    示范工廠外景圖見圖3。一期示范項(xiàng)目已經(jīng)于2014年12月全面達(dá)產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)了并入城市天然氣供氣網(wǎng)，合成氣中的甲烷氣含量達(dá)到95%以上，每年滿足15000輛小車和400輛公交車的用氣。在生物質(zhì)燃料的使用上更加廣泛和靈活。根據(jù)瑞典的規(guī)劃，目前二期項(xiàng)目正在建設(shè)中。

    一期示范工廠運(yùn)行情況：

    (1)產(chǎn)出的生物質(zhì)甲烷氣成分：壓力，約500K Pa;  CH4 >94%;H2 <2.O%;(C02 +N2)  <4.0%.

    (2)能量轉(zhuǎn)化率：生物質(zhì)到生物質(zhì)甲烷氣> 65%；能效>90%；年運(yùn)行時(shí)間8000 h。

    (3)能耗：燃料（木片）32 MW；電能3 MW；熱能（熱油）0.5 MW。

    (4)產(chǎn)出：生物質(zhì)甲烷氣20 MW；分布式熱能5 MW；熱泵熱能6 MW。

    在歐洲，類似工廠還有奧地利的Gussing項(xiàng)目和德國的Senden項(xiàng)目，其主要產(chǎn)出物為熱電，但均不及GoBiGas項(xiàng)目先進(jìn)。而GoBiGas項(xiàng)目是世界上第一個(gè)大型氣化生產(chǎn)甲烷的項(xiàng)目。據(jù)悉，2020年前瑞典還將在其他地區(qū)建設(shè)10 ~15個(gè)類似項(xiàng)目，熱分解（氣化）技術(shù)在歐洲的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟。

3結(jié)語

    生物質(zhì)熱分解技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)熱、電、氣聯(lián)產(chǎn)，并能推動化工行業(yè)和林產(chǎn)行業(yè)的聯(lián)動發(fā)展，把生物質(zhì)的高效綜合利用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。生物質(zhì)熱分解技術(shù)在環(huán)保方面的貢獻(xiàn)是顯而易見的，更重要的它可以減少人類對化石能源的依賴，實(shí)現(xiàn)能源供給的可持續(xù)性發(fā)展。

采用生物質(zhì)熱分解技術(shù)生產(chǎn)燃?xì)庠谖覈�發(fā)展的相對緩慢，一方面是由于化石能源成本相對低廉，另一方面，國內(nèi)的林業(yè)廢渣被直接燃燒或改作別的用途。但隨著政府環(huán)保力度的不斷加大、人們環(huán)保意識的增強(qiáng)和對環(huán)境要求的提高，生物質(zhì)熱分解技術(shù)的應(yīng)用將會是我國解決城市霧霾降低PM25和高效利用林業(yè)殘?jiān)�、農(nóng)作物殘留物和城市垃圾的有效技術(shù)和發(fā)展方向之一，加深和推進(jìn)生物質(zhì)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用勢在必行。 

4 摘要：生物質(zhì)熱分解（氣化）技術(shù)是生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化技術(shù)的核心之一，分為生物質(zhì)直接氣化技術(shù)和生物質(zhì)間接氣化技術(shù)。生物質(zhì)間接氣化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生物合成氣、熱、電的高效聯(lián)產(chǎn)。本文介紹和分析了歐洲已經(jīng)建成的第一個(gè)大型生物甲烷氣示范項(xiàng)目和實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)甲烷氣并網(wǎng)用于汽車用氣和居家燃?xì)獾牧鞒獭?