生物质能资源和气化技术

eezeapubdi

摘 要：生物质资源作为低碳可循环的再生洁净能源有很长的发展历程，并且地球每年的生物质产量巨大，但是现阶段人们仅利用了很小的一部分。本文简要的叙述了生物质的现状、发展和利用情况，并介绍了生物质资源利用技术的一种—气化。对于气化，主要在影响因素、一些参数概念和原理等方面进行了简单概述。
关键词：生物质；气化参数；气化原理
1 生物质能资源利用
生物质是指生物体通过光合作用生成的有机物，包括所有的动物、植物、微生物以及这些生命体排泄和代谢所产生的有机物质[1]。
生物质能是人类利用最早的能源之一，分布极广，产量巨大，具有可再生和成本低等优点。据估计，每年由植物光合作用固定下来的碳约2×1011t，蕴含约3×1021J能量，当于每年世界耗能总量的10倍，发展潜力巨大。
生物质能是人类一直赖以生存的重要能源之一，在远古时代人们就以生物质能为能量来源加以利用[2]。生物质能在全球能源消费中仍占有重要份额（15%），仅次于煤、石油和天然气，居于世界能源消费总量的第4位。
2 国内生物质能发展现状
我国是一个人口众多的农业大国，生物质能十分丰富，在我国的能源结构中占有相当重要的地位。我国每年农村的秸秆量约7亿吨，相当于5亿吨标准煤。另外，我国的林业废弃物每年约3700万立方米，相当于2000万吨标准煤。若加上畜禽粪便、城市垃圾和工业废水等，我国每年的生物质资源量可达6亿吨以上标准煤。
目前，中国生物质能的五大战略产品是燃料乙醇、成型燃料、工业沼气、生物塑料和生物柴油。
3 生物质气化原理
生物质能的开发利用十分重要，同时也有多种利用技术，如液化、堆肥、压缩成型、气化等。现在，开始介绍生物质能利用技术中的一种—气化。
生物质气化即有氧化剂参与的热解过程，指生物质中碳、氢在高温条件下利用空气中的氧气或含氧物质作为气化剂，反应得到小分子可燃气体的过程。燃气中的主要成分有CO、H2、CH4、CO2、N2等，可燃气成分主要是CO、H2和CH4。
3.1 气化过程
气化一般的基本反应包括：干燥、热解、还原和氧化这四个反应。现在大部分气化反应都是空气气化，反应中氧气与生物质中可燃组分发生氧化反应，放出热量，为其他过程提供所需热量。总反应可写为：
CH1.4O0.6+0.4O2+1.5N2→0.7CO+0.3CO2+0.6H2+0.1H2O+1.5N2
CH1.4O0.6代表的是生物质分子式。由于空气中含有79%氮气，不参与反应并稀释了燃气中可燃组分的含量，因此燃气热值较低，仅为4—6MJ/m3。
3.2 气化参数
规定一些参数用以较好的描述气化反应进行中的状态，可以评价生物质气化效果和描述物料物流和能量流向。包括：当量比（ER），气体产率（Gv，m3/kg），气体热值（Qv，kJ/m3），碳转化率（%），气化效率（η），生产强度[kJ/（m3·h）]等。
4 气化影响因素
4.1 气化剂的影响
生物质气化所用的气化剂有空气、水蒸气、空气—水蒸气、二氧化碳、水蒸气—氧、水蒸汽—二氧化碳等。
西班牙萨拉格萨大学化学与环境工程学部的Javier Gil，Miguel A. Caballero[4]等研究了有关气化剂类型对合成气组分的影响。
实验采用了三种，即空气、水蒸气、氧气—水蒸气三种气化介质进行实验。通过改变气化媒介和各气化剂的量得出较佳运行参数：
实验得出，蒸汽气化热值较高，气化效果很好，但焦油和焦炭量很大，成本也很高，空气气化当量比0.3，GR与S/B为0.9最佳。另外，实验生物质为实验配置。
4.2 生物质的影响
不同的生物质类型的气化效果不同，美国俄克拉荷马州立大学的生物与农林学部的Raymond Huhnke， Danielle Bellmer[4]等研究了木屑气化，波兰的希莱亚希大学能源中心的P. Plis[4]研究了燕麦屑气化以及有些实验室进行了污泥气化的研究，其气化结果和气化条件相差较大。
尽管元素元素分析结果相似，但合成气中的CO变化相差很大。一般情况，像木屑、秸秆一类的生物质含灰量小于10%，含水率约8%左右，而污泥气一般含灰量（干燥后）在40%以上，有些污泥含水率也在40%左右。污泥气化产物相对于木屑、秸秆等相差很大，不同生物质类型在元素分析相似时产气率相差也有可能很大。所以，不同的生物质类型对气化效果影响很大。
4.3 空气当量比
空气当量比是气化过程中十分重要的一个参数，由于ER值过大会使生物质燃烧量增大，有利于气化反应，但N2等含量也会增大，从而降低合成气热值。
汉堡—哈儿堡工业大学的Petersen[4 等人研究了污水污泥在不同空气进量的两种高度的流化床反应器的气化效果，并给出详细的数据。因此可以确定某种类型的生物质的最佳ER值。
最后得出结论是增加床高有利于气化过程，气体停留时间的长短对气化气最后组成的影响十分大。
4.4 含水率
生物质的含水率对气化结果影响也很大，希莱亚希科技大学的P. Plis[4]研究了固定床中生物质气化的实验过程，并通过数值计算得出木屑在当量比0.4的条件下随含水率变化合成气组分、热值变化的数据。实验发现：随着含水率的增加，氢气量增大，CO含量降低，合成气的热值也会降低。所以，生物质中含水率是气化的不利因素，一部分热量会以水蒸汽显热的方式丢失。
参考文献：
[1]程备久主编.生物质能学[M].化学工业出版社，2008：1-10.
[2]刘光青，董仁杰，李秀金.生物质能源转换技术[M].化学工业出版社，2009：7-12.
[3]史济春，曹湘洪.生物燃料和可持续发展[M].中国石化出版社，2007：4-13.
[4]Plis*， R.K. Wilk. Theoretical and experimental investigation of biomass gasification process in a fixed bed gasifier[J].Energy （2010）1-8：2-4.