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        生物質熱解“全氣化”技術-中海發熱解“全氣化”技術(上)

        作者:廣西中海發能源有限公司來源:廣西中海發能源有限公司 瀏覽次數: 日期:2018-12-04

        1、生物質熱解氣化技術歷史與現狀   

        生物質“熱解氣化”技術,也稱為“生物質離子催化裂解”技術,其原理是通過熱化學反應,將固態生物質轉換為氣體燃料的過程。 

        據廣州能源研究所專家撰文介紹,生物質熱解氣化技術并不是新技術,其研發已有100多年的歷史。綜述如下——

        最初的生物質熱解氣化反應器誕生于1883年的歐洲。它以木炭為原料,氣化后的燃氣驅動內燃機,推動早期的汽車或農業排灌機械。生物質氣化技術的鼎盛時期出現在第2次世界大戰期間,當時幾乎所有的燃油都被用于戰爭,民用燃料匱乏,因此,德國大力發展了用于民用汽車的車載氣化器,并形成了與汽車發動機配套的完整技術。

        我國在能源困難的20世紀50年代,也曾使用這種方法驅動汽車和農村排灌設備。當時固定床氣化反應器的技術水平,已達到相當完善的程度。二戰后隨著廉價優質的石油廣泛被使用,生物質氣化技術在較長時期內陷于停頓狀態。但2次石油危機后,使得西方發達國家重新開始審視常規能源的不可再生性和分布不均勻性,出于對能源和環境戰略的考慮,紛紛投入大量人力物力,進行可再生能源的研究。作為一種重要的新能源技術,生物質氣化的研究重新活躍起來,各學科技術的滲透,使這一技術發展到新的高度。

        我國生物質熱解氣化技術在20世紀80年代以后得到了較快發展,我國熱解氣化研發技術路線一開始即師從歐洲,主要有“固定床氣化”、“流化床氣化”、干餾法等熱解氣化形式。實際上,以上技術路線也是我國、乃至世界各國目前熱解氣化技術領域的固有模式,只是氣化原料一般不再使用木炭,而是使用各種木材、林業殘余物和稻殼,通過熱解氣化產生出可燃的生物質氣體。

        在生物質氣化聯合循環發電(B/IGCC)方面,國外做了一些示范電站,如美國Battelle(63MW)和夏威夷(6MW)項目,意大利(12MW),英國(8MW)示范工程等。在國內,很多單位也做了很多生物質氣化方面的基礎研究和應用研究,如中國科學院廣州能源研究所,成功地把流化床技術應用到生物質氣化發電方面,使用木屑或稻殼的1MW流化床發電系統已經投入商業運行,分別在海南三亞、廣東揭東建立了MW級氣化發電示范工程,并取得了一定的經濟和社會效益。

        生物質熱解氣化技術因其長期難以突破的瓶頸,在我國、乃至世界范圍內均嚴重制約了其規模化的應用推廣。尤其作為生物質氣化技術發源地的歐洲,目前已基本放棄了對生物質氣化技術的使用,轉而大規模推廣使用生物質成型顆粒直燃技術。

        2、傳統氣化技術的瓶頸與嚴重制約

        生物質熱解氣化從歐洲發端,100多年來其氣化技術均停留于“流化床”和“固定床”兩種技術思路。我國生物質熱解氣化技術研究幾十年以來,一直緊隨歐洲技術的固有技術思路。在此,特將起源于歐洲、以流化床和固定床為基礎的生物質熱解氣化技術稱為“傳統熱解氣化技術”,為區別于廣西中海發公司研發的“生物質熱解全氣化”技術。

        雖然經過了長達百年的研究與發展,歐美及國內也都建成了一些MW級的熱解氣化發電項目,但實踐證明(該領域專家、包括中國專家也一致認為):生物質傳統氣化技術至今仍然存在著以下難以突破的、顯著的技術瓶頸:

        傳統氣化技術瓶頸之1:焦油含量偏高,氣化設備難以大型化!

        傳統氣化技術瓶頸之2:燃氣熱值偏低,氣體質量穩定性較差!

        傳統氣化技術瓶頸之3:燃料適應性差,難以規模化推廣應用!

        中國科學院廣州能源研究所、中國科學院可再生能源重點試驗室吳創之和劉華財、陰秀麗三位專家在充分研究了國內外生物質氣化技術發展及應用狀態的基礎上,聯合發表論文明確指出目前在傳統生物質氣化技術應用領域,國際國內的基本和普遍狀態是2013年7月《燃料化學學報》第41卷第7期《生物質氣化技術發展分析》):

            2.1  “(生物質氣化)燃氣熱值低,質量穩定性較差,無法達到中國《人工煤氣》(GB13621-92)的要求。有時火焰溫度達不到爐內要求,或是無法驅動發電設備。”據悉,安徽省某氣化發電項目,因為氣體質量不穩定等“傳統熱解氣化技術”的常見原因,自2015年調試至今,依然未實現穩定發電,造成投資浪費。

        2.2 “氣化設備對燃料的適應性差。目前國內其他種類的氣化爐對原料的水分、灰分或熱值變化很敏感,原料不同可能造成爐內溫度不均或氣化效率低下。不利于應用推廣,限制了應用范圍。” 某些傳統熱解氣化設備專為某種特定的生物質燃料而設計,如稻殼;或某1-3種原料配套,其他原料均難以適應。

        2.3 生物質燃氣中含量過高的焦油與水、灰分結合在一起,日益沉積在氣化設備、管道、閥門等處,氣化設備運行一段時間后,容易出現嚴重的堵塞和磨損,導致燃氣凈化系統復雜且運行費用高昂!

        歐洲Bioneer 在芬蘭和瑞典建有9個4兆瓦-6兆瓦的氣化裝置,大部分用于區域供熱,其燃氣的焦油含量為50-100mg/m³。

        因為生物質傳統熱解氣化過程中其氣化率基本停滯于75%以內難以提升,導致焦油含量過高的難題長期存在無法突破,故有的研發與生產者,順勢將氣化過程中不可避免產生的焦油等進行收集,開發成與燃氣并存的產品,從而形成了多種熱解氣化多聯產形式。

         

        3、生物質氣化發電原理與分類

        生物質氣化發電技術的基本原理,是把生物質轉化為可燃氣,再利用可燃氣推動燃氣發電設備進行發電。它既能解決生物質難于燃用而且分布分散的缺點,又可以充分發揮燃氣發電技術設備緊湊而且污染少的優點,所以,生物質氣化發電是生物質能最有效、最潔凈的利用方法之一

        氣化發電過程主要包括3個方面:一是生物質氣化,在氣化爐中把固體生物質轉化為氣體燃料;二是氣體凈化,氣化出來的燃氣都含有一定的雜質,包括灰分、焦炭和焦油等,需經過凈化系統把雜質除去,以保證燃氣發電設備的正常運行;三是燃氣發電,利用燃氣輪機或燃氣內燃機進行發電,有的工藝為了提高發電效率,發電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機 。

         

        中海發熱解“全氣化”燃氣采用內燃機發電系統生產電能。目前,國內生產的、配套低熱值燃氣的內燃機設備緊湊,系統簡單,技術較成熟可靠。

        4、中海發生物質“熱解全氣化”技術發明人簡介

        中海發熱解全氣化技術發明人黃榮勝——上海交通大學經濟管理專業碩士;歷任廣西那坡縣副縣長、田林縣常務副縣長、廣西自治區發改委規劃處副處長、高技術處處長、重大項目前期工作處處長、西部開發處處長等職,于2016年底提前退休。長期擔任為廣西大學、廣西民大客座教授。

        廣西長期以來大面積種植甘蔗、木薯、桉樹等農林作物,出于職業需要和技術敏感,黃榮勝教授一直悉心關注廣西大宗農林作物的經濟利用效率提升。在完成本職工作之外,利用業余時間潛心研究相關應用技術,十多年來技術取得豐碩成果,2006年-2013年分別獲得《提高酒精含量的技術》、《淀粉、酒精廢水綜合利用的方法和設備》、《生物質離子催化裂解氣化裝置》和《生物質二次裂解的方法和裝置》等多項國家發明專利與實用新型專利(專利編號分別為ZL200610125073.9;ZL200710066066.0;ZL200820113615.3; ZL201310598950.4)。

         

        其中《生物質離子催化裂解氣化裝置》和《生物質二次裂解的方法和裝置》等兩項國家發明專利均屬于生物質氣化技術范疇,并于2008年開始陸續無償交付相關企業,有相關企業進行專利所描述的生物質氣化技術設備制造與實際應用。

        5、 “熱解全氣化”技術命名與主要技術參數

        1)熱解全氣化

        所謂生物質“熱解全氣化”技術,具體指黃榮勝教授發明的生物質離子催化裂解技術。之所以將該技術命名為“熱解全氣化”技術,是因為應用該技術對生物質進行熱解氣化過程中,主產品為單一燃氣,氣化率穩定在85%-90%區間;氣化之后的灰分占比3%-5%。

        目前熱解氣化技術多聯產產品高達六種:油、氣、肥、電、炭、液。黃榮勝教授“離子催化裂解”技術生產的主產品為單一的燃氣。為區別傳統熱解氣化過程中產品多樣化現象,特將黃榮勝教授發明的、產品為單一燃氣的“生物質離子催化裂解”技術通俗化命名為“熱解全氣化”技術,以顯著區別與傳統氣化技術的產品多樣性現象。

        “熱解全氣化”技術獨辟蹊徑,其技術特點顯著:

        1)將傳統氣化技術中長久不變的固定床氣化和流化床氣化的優點兼容并蓄加以綜合運用,同時避免了這兩種技術路線各自的不足,創造了一種全新的熱解氣化路線;

        2)“電激發”方式直接對原料加熱升溫(300-600度);

        3)多次裂解;

        4)氣化率高,可持續穩定于85%-90%;

        5)燃氣熱值穩定,平均熱值2033大卡/Nm³,最高2185大卡/Nm³;

        6)產品為單一燃氣;

        “全氣化”技術一舉突破了長期困擾世界生物質氣化技術發展的三大瓶頸,完成了生物質熱解氣化技術重大的、革命性的飛躍,促我國熱解氣化技術躋身于世界前列。

         

        (1)“熱解全氣化”燃氣主要技術參數與行業對照

        “熱解全氣化”燃氣數據為第三方檢測所得,具體數據見附件)

         適應原料種類

        單位產氣量(m³/公斤)

        氣化率(%)

        燃氣熱值(大卡/Nm³) 

        全氣化

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        全氣化

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        全氣化

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        全氣化

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        任意秸稈種類均可。

        35%以內含水量。

        一種、或兩三種特定秸稈原料

        單一燃氣

        1.51-1.6

        產氣不穩定

        多種產品;原料產氣比例≤1/3

        最高89.99%;

        平均87.75%

        平均70-75%

        最高2185

        平均2033

        平均800-1500

         

        (2)“全氣化”與多聯產產品品種、數量對照 

        全氣化產品

                      多聯產產品

        單一燃氣

        木焦油

        燃氣

         炭

        木醋液

        1510-1600

        (m³/噸) 

        50

        (kg/噸)

        230-310

        (m³/噸)

        250-300

        (kg/噸)

        250

        (kg/噸)

         

         

         

        (3)“全氣化”與多聯產生產方式與時間周期對照 

         

        全氣化生產方式與周期

        多聯產生產方式與周期

        通電20分鐘后連續產氣:

        產氣量按需要設計,目前單體全氣化最大產氣量15000m³/h

        按周期(≥48小時)斷續生產:

        升溫受熱時間8-10h

        焦炭冷卻時間為48h

         

        所屬類別: 技術展示

        該資訊的關鍵詞為:生物質熱解“全氣化”技術 

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