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王武林
(揚州工業職業技術學院科技處，江蘇揚州225127)
摘要：生物質氣化供氣是農村利用生物質能源的主要途徑。與生物質集中供氣技術相比，戶用的單獨供氣技術更適合于經濟相對落后和居住較分散的農村用戶。為此，分析對比了目前生物質氣化裝置為降低燃氣焦油含量而常用的熱裂解、催化裂解、濕法與干法等可用技術的特點與應用條件，提出了催化裂解方法較具發展前景。采用生物質氣化與焦油裂解一體化的氣化裝置，并配置具有降溫、除塵和焦油分離回收等多種功能的高效凈化裝置，是適合小型氣化裝置特點的處理焦油的有效技術。
0引言
生物質氣化是生物質能源利用的主要技術途徑，是通過熱化學反應將固態生物質轉換為氣體燃料的過程。生物質由于能量密度相對較低，揮發分高，發熱值僅相當于煤的1/3~1/2，且各種生物質理化性質差異又較大，氣化應用具有一定技術難度。我國生物質氣化技術的應用主要集中在兩個方面，即生物質氣化供氣和生物質氣化發電[1]。其利用生物質的前提都是使生物質先在氣化爐內進行氣化反應生成可燃氣，故氣化爐是生物質氣化系統的核心設備。
本文在對兩種生物質供氣系統的性能、特點及適用范圍進行分析的基礎上，針對制約生物質氣化供氣技術推廣的主要瓶頸問題)粗燃氣中焦油凈化的可用技術進行研究，以提出適合小型氣化裝置特點的處理焦油的技術方案。
1生物質集中供氣與單獨供氣系統性能比較
1.1生物質集中供氣系統特點分析
生物質能源在農村的應用前景主要是推廣生物質氣化供氣技術，使氣化爐產生的生物質燃氣供給相應配套設備，為居民提供炊事用氣。目前，生物質氣化供氣主要分為集中供氣和單獨供氣兩種類型。生物質氣化集中供氣近幾年得到迅速發展。它是在農村的一個村或組建立一個生物質氣化站，并將生物質燃氣用儲氣柜儲存，通過輸氣管網向居民集中提供生活用燃氣。
目前，全國已建成的集中供氣系統有幾百個，在高效利用農村剩余秸稈、減輕農民燃燒過剩秸稈引起的環境問題方面發揮了一定作用。生物質集中供氣系統經過在部分農村推廣應用后發現面臨如下問題：
1)工程項目總投資較大，一般至少百萬元以上，戶均投入達4000多元，在一些經濟不夠發達的地區用戶支付有一定難度；
2)項目要求整體連片推廣，難以適應我國目前農村居住尚不夠集中的現狀；
3)生物質燃氣熱值低，但氣柜容量有限，要求供氣時間統一，故用戶常感使用不便，致使許多氣化工程欠費現象嚴重，達不到設計要求戶數，氣化設備利用率降低；
4)是氣化技術總體尚不夠成熟，長期運行后易出現焦油、飛灰等堵塞管道或灶具等情況，致使項目運行一段時間后被迫停用。
1.2生物質單獨供氣技術應用現狀
該技術特點是農村居民以家庭為單位直接使用小型氣化爐，所產燃氣接入到附近的爐灶使用，具有氣化系統體積小、投資少的特點，更適合于經濟相對落后和居住較分散的農村用戶[2]。目前，小型戶用生物質氣化技術已有一定發展，如湖南張家界三木能源開發有限公司生產的戶用氣化爐，采用固定床上吸式爐型，具有氣化爐設備簡單、投資較少的特點，一套生物質氣化爐售價僅700多元，已進入部分農村市場。國內現有的戶用氣化裝置仍存在質量參差不齊和性能不夠穩定的問題。盡快開發出投資較少、焦油含量低、技術成熟的小型或戶用生物質氣化裝置，是目前農村推廣應用生物質利用技術的關鍵。
2生物質氣化裝置降低焦油含量的可用技術
生物質氣化作為可再生能源，具有良好的發展前景，但由于氣化爐產粗燃氣中焦油含量高，缺少有效處理方法，已成為該技術在農村推廣的主要障礙。焦油是生物質氣化不可避免的副產品，在高溫時呈氣態，隨溫度降低逐漸凝結為液態。由于焦油成分非常復雜，可分析出的就有200多種，其中主要成分有20多種，含量較高的是苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚等，從燃氣中進行有效分離或處理都很困難[3-4]。小型戶用生物質氣化裝置常采用上吸式氣化爐，焦油含量較下吸式氣化爐高。燃氣作為炊事用氣雖不要求冷卻可直接利用，但當燃氣溫度低于200e時焦油易凝結為液態，并與水、灰等結合堵塞輸氣管道或閥門等，嚴重影響氣化裝置的長期穩定運行。若呈氣態進入灶具也難以實現完全燃燒，并容易產生炭黑等顆粒。由于焦油占粗燃氣總能量的5%~15%，如果不經有效處理必將對環境和氣化效率造成明顯不利的影響。
目前，氣化裝置中控制焦油含量的可用技術有兩類：一類是裂解法，另一類是普通方法。裂解法又分熱裂解和催化裂解，是在通過提供較高溫度及其他條件下，把焦油分解成小分子可燃氣體；普通法除焦油又可分為濕法和干法兩種。
2.1降低焦油含量的熱裂解方法
通過裂解方法將焦油設法轉化為可燃氣，既能提高氣化效率，又可降低燃氣中焦油含量，解決焦油對環境和設備運行的有害影響。熱裂解法基于生物質氣化過程，焦油產物的數量主要取決于轉換溫度和氣相停留時間，一般生物質在500e左右時焦油產物最多；而在同一溫度下氣相停留時間越長，焦油熱裂解則越充分。因此，氣化過程中應盡可能提高溫度和氣相停留時間，使焦油熱裂解，把焦油分解為永久性氣體與可燃氣一起利用，從而減少焦油數量和種類。熱裂解法在1100e以上才能得到較高的轉換效率，小型生物質氣化裝置(如采用固定床)的氣化溫度一般為900e左右，即使采用一些技術措施也難提高。因此，熱裂解法要在實際中得到應用具有較大困難。
2.2降低焦油含量的催化裂解方法
焦油熱裂解需要很高溫度，但如果借助某些催化劑的作用對焦油進行催化裂解，不但可使焦油裂解的溫度下降到750~900e，而且能提高裂解的效率。因此，催化裂解法是目前降低焦油含量最有發展前途的一項技術。生物質焦油裂解原理與石油的催化裂解相似。經國內外研究發現，可用于焦油轉化的催化劑有白云石、堿金屬和其他金屬基催化劑、鎳基催化劑等。如果滿足低成本需要，還可利用石灰石、木炭以及石英砂等作為催化劑。其中，白云石(CaCO3·Mg2CO3)因具有催化效率高和成本低的特點而得到廣泛重視[5]。
焦油催化裂解能否達到預期效果，取決于在溫度和接觸時間方面是否滿足要求的工藝條件。依據催化劑的加入位置和方法的不同，大致可分為兩種：一種是將催化劑與生物質在氣化前直接混合，使氣化與焦油的催化轉化在同一工況下運行。如白云石對焦油的裂解在溫度達800e以上才有很高的裂解率[6](如圖1所示)，這一溫度和生物質的氣化溫度相近，所以在爐內加入催化劑進行裂解反應，易滿足要求的溫度條件。另一種是在氣化爐出口另設一個反應器，使焦油的裂解在一分開的反應爐中進行。因氣化爐出口氣體溫度往往已降至500e，為此常通過外加熱源或使燃氣部分燃燒來提高溫度，從而使催化裂解技術更適合于較大型的氣化系統。
催化裂解過程中水蒸汽的存在也能發揮重要作用。水蒸汽能和某些焦油成分發生反應，生成CO和H2等氣體，既減少了碳黑的產生，又提高了燃氣產量。
2.3去除粗燃氣中焦油的濕法與干法兩類凈化方法
粗燃氣中除含有焦油外，還夾帶灰分、微小炭顆粒、水分等固體和液體雜質。由于雜質的多樣性和復雜性，所以生物質燃氣的凈化一般不用單一方法，而是將幾種凈化方法組合一起使用。目前，結合焦油的處理并除去灰分的常用方法有水洗法(濕法)和過濾法(干法)兩種。
濕法包括水洗法和水濾法，即利用水洗燃氣，使之快速降溫，從而實現焦油冷凝并與灰分一起從燃氣中分離的目的。該方法成本低、結構簡單，早期凈化系統應用較多，但濕法產生的含焦油廢水外排，易造成二次污染，排出的焦油不能得到很好的利用。
干法是利用機械力或過濾的方法，使灰分和液態焦油滴利用慣性力從氣流中分離出來，或使燃氣通過多孔體等濾料來分離雜質。干法的缺點是利用機械力除焦油一般難以獲得滿意的凈化效果，而過濾方法中焦油與灰塵易粘接一起堵塞過濾通道，故不宜作為獨立的凈化裝置，而是多與其他凈化裝置組合使用。
3小型生物質氣化裝置凈化焦油的技術思路
小型生物質氣化裝置在農村一般作為炊事用燃氣來源，氣化爐產燃氣不要求冷卻，可直接輸送給灶具。由于低成本要求，氣化系統簡單，不可能配備復雜的燃氣凈化裝置。因此小型生物質氣化裝置要降低焦油含量，并保證裝置長期穩定運行，從技術角度來說具有一定難度。一些大型氣化裝置上采用的低焦油技術措施對小型氣化裝置未必合適。符合小型氣化裝置特點的降低燃氣中焦油含量的實用技術，可考慮以下技術方案。
3.1生物質氣化與焦油裂解一體化的高效氣化爐
小型戶用生物質氣化爐大多為固定床上吸式，氣化爐出口溫度約為500e左右，如另設裂解爐顯然達不到要求的裂解溫度。為此，除可考慮在入爐的生物質中添加白云石或木炭等催化劑，使氣化與焦油的裂解同時進行以外，還可在爐內靠近燃氣出口處設置一催化裂解區，使氣化產燃氣隨即進入該裂解區，以充分利用爐內溫度高的特點，在爐內進行焦油催化裂解反應。
3.2研制結構簡單、焦油回收率高的凈化裝置
設計一種具有降溫、除塵和分離焦油等多種功能的凈化裝置，如圖2所示。
小型生物質氣化爐可配置一高效的、利用機械力除塵的凈化設備，并與附設的焦油分離或回收裝置組合。粗燃氣降溫流動過程中氣態焦油冷凝為液滴，可與灰分一起從粗燃氣中有效地分離出來，并經循環管道流回到氣化爐內的高溫氧化層，進行裂解反應。
3.3尋找更能適合小型生物質氣化裝置的催化劑
加強對溫度、接觸時間、催化劑的粒徑等參數與焦油轉化率關系的研究。催化劑的加入方法和加入位置應考慮氣化爐的爐型特點，實現性能上的優化配匹，尋找成本低以及活性高的催化劑。
4結束語
針對我國許多農村居住分散的特點，完善小型家用生物質氣化技術，開發出技術實用、焦油含量低和運行穩定的戶用氣化裝置，對于生物質作為可再生能源在農村得到進一步應用具有重要意義。催化裂解在焦油凈化可用技術中具有良好發展前景。利用爐內溫度高的特性，使焦油催化裂解與氣化同時進行，或通過配置高效的焦油分離回收裝置，使其循環流入爐內高溫氧化層裂解，是適合小型生物質氣化裝置特點的實用技術。
參考文獻：
[1]宋秋，任永志，孫波.生物質氣化技術應用的問題及對策[J].能源工程，2001(6)：28-29.
[2]李鵬，吳杰，王維新.戶用上吸式生物質氣化爐的改進設計[J].農機化研究，2008(5)：76-78.
[3]楊海平，米鐵，陳漢中，等.生物質氣化中焦油的轉化方法[J].煤氣與熱力，2004(3)：122-126.
[4]馬隆龍，吳創之，孫立.生物質氣化技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2003.
[5]呂鵬梅，常杰，王鐵軍，等.生物質氣化過程催化劑應用研究進展[J].環境污染與治理，2005(5)：1-6.
[6]米鐵，唐汝江，陳漢平.生物質氣化技術及其研究進展[J].化工裝備技術，2005(2)：50-56. |
