摘　要：SW／LJ固定床反火型生物質氣化爐技術采用膜分離技術制取富氧空氣作為氣化劑，降低氮含量，提高熱值和氣化率；采用催化劑對焦油進行催化裂解，在增加熱值的同時，減少污染和能源浪費；采用催化劑對粗煤氣進行甲烷化以進一步提高熱值。

關鍵詞：生物質氣化  固定床反火型氣化爐  富氧氣化  焦油催化裂解  甲烷化

Development of SW/LJ Fixed Bed Back-fire Type Biomase Gasifier

Abstract：For SW／LJ fixed bed back-fire type biomass gasifier technology，the oxygen-enriched air generated by the membrane separation technology is used as gasification agent to reduce nitrogen content and improve the calorific value and the gasification rate；the catalyst is used for catalytic cracking of tar to increase the calorific value and reduce pollution and energy waste；and the catalyst is used for methanation of coarse coal gas to further improve the calorific value．

Key words：biomass gasification；fixed bed back-fire type gasifier；rich oxygen gasification；catalytic cracking of tar；methanation

1　概述

生物質能開發(fā)利用技術的研究是我國可持續(xù)發(fā)展技術的重要內容之一，被列入我國21世紀發(fā)展議程。生物質能具有可再生性、低污染性、廣泛分布性的特點^[1-3]，如何利用好這些可再生資源是我國能源可持續(xù)發(fā)展的一個主要方向。生物質集中供氣技術的開發(fā)與應用，為我國規(guī)模化利用生物質資源開辟了一條有效的途徑。它對于解決能源與環(huán)境這一當今世界突出的社會問題具有重要意義^[4]。生物質氣化爐是該技術的核心設備。衡量一種生物質氣化爐的研究與設計成功與否，主要看該氣化爐是否能夠連續(xù)、穩(wěn)定、安全地生產出高質量的生物質燃氣。

目前，我國農村廣泛使用的生物質氣化技術，主要是固定床氣化工藝，采用空氣為氣化劑^[5]。這種工藝設備結構簡單，易于操作，可實現多種生物質原料的熱解氣化，投資少，因此得到了廣泛應用。但是，其產生的生物質燃氣熱值低，且焦油含量高，非常容易造成管路阻塞。其原因有兩個方面：第一，由于采用空氣為氣化劑，得到的生物質氣中氮氣含量高，其體積分數通常在50％左右；第二，由于生物質原料中水分及揮發(fā)分含量高、固定碳含量相對較低，使獲得的生物質燃氣中焦油含量高^[6]。因此，我國目前廣泛應用的生物質氣化工藝還比較落后，必須對其進行改進，研制出既經濟適用，氣體質量又高的氣化裝置。

本研究將空氣氣化劑改為富氧氣化劑，并對焦油進行催化裂解，同時借鑒煤氣化的甲烷化工藝對氣化后續(xù)過程進行改進，以期研制出技術先進的生物質氣化爐。

2　研究內容

本研究的主要內容是：將空氣氣化劑改為富氧氣化劑，降低氮含量，提高熱值；采用催化劑對焦油進行催化裂解，在增加熱值的同時，減少污染和能源浪費；采用催化劑對粗燃氣進行甲烷化，進一步提高熱值。

3　技術原理與性能特點

3．1　技術原理

SW／LJ固定床反火型生物質氣化爐采用下吸式氣化爐，生物質燃料由頂部裝入爐內，靠重力逐漸下降，空氣從設計好的氧化層位置進入(即喉口部位進入)與已點燃的生物質中的碳發(fā)生反應，生成二氧化碳，放出熱量。由于限氧燃燒，氧氣的供應并不充分，因此不完全燃燒同時發(fā)生，生成一氧化碳，放出熱量。這些熱量為還原反應、物料的熱解和干燥提供了熱源。還原區(qū)在氧化區(qū)的下部，氣化生成的富含焦油的燃氣向下通過該區(qū)域。因為在還原區(qū)不存在氧氣，所以氧化反應中生成的二氧化碳同焦炭及水蒸氣發(fā)生還原反應，生成一氧化碳和氫氣。由于喉部高溫氧化區(qū)(800～1200℃)和以熾熱焦炭為主的還原區(qū)的存在，燃氣中的部分焦油在通過高溫區(qū)時被裂解為永久性小分子氣體(降溫時不凝結成液體)，燃料中的水分亦可參加反應形成氫氣。其優(yōu)點是可隨時打開爐蓋添加燃料，空氣便于調節(jié)，燃燒穩(wěn)定，燃氣中焦油含量少，燃料的適應性強^[7]。

SW／LJ固定床反火型生物質氣化爐與傳統(tǒng)的氣化爐相比，在以下方面做出了改進：

①利用膜技術富氧氣化

選用板框式氣體膜分離器，從空氣中制取富氧空氣，提高氣化反應速度，增強氣化強度，提高熱效率，在減少氣化劑用量的同時，使燃氣中惰性氣體氮氣含量減少，改善燃氣組成，從而提高燃氣熱值。

②利用催化劑對燃氣進行焦油裂解

自氣化爐生產的含有焦油的生物質燃氣，經過除塵，進入裝有催化劑的焦油裂解裝置。焦油裂解反應器為固定床反應器，裂解溫度控制在800℃左右，經催化劑催化裂解后，氣化氣中焦油含量小于20mg／m³。

③利用催化劑對燃氣進行甲烷化

生物質燃氣進入甲烷化裝置，甲烷化反應器內充裝了耐硫甲烷化催化劑。在催化劑的作用下，一氧化碳和氫氣發(fā)生反應，生成甲烷，使燃氣的熱值得到提高，也使氣體的組成得到改善^[8]。

3．2　工藝流程

SW／LJ固定床反火型生物質氣化爐是生物質氣化集中供氣系統(tǒng)的核心，該氣化爐主要功能是把生物質等固體原料轉換成氣體燃料。具體工藝流程見圖l。生物質原料由爐頂送入氣化爐，同時，加入由膜氣體分離器產生的富氧空氣，經過熱解氧化和還原反應，產生的燃氣先進入旋風除塵器分離出燃氣中較大的顆粒飛灰，然后進入焦油裂解裝置，對焦油進行深度裂解；而后，生物質燃氣進入甲烷化裝置進行反應；之后再經過冷卻裝置使氣體迅速降至室溫；最后，經凈化裝置過濾即可得到清潔燃氣，成品燃氣進入儲氣罐儲存。

4　技術性能

該氣化爐氣化系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，依據NY／T443-2001《秸稈氣化供氣系統(tǒng)技術條件及驗收規(guī)范》對該系統(tǒng)進行檢測，主要技術性能指標見表1。

5　結語

生物質氣化項目的開發(fā)與推廣，多年來國家一直給予高度重視，該項目對調整我國能源結構，尤其是調整我國農村能源利用方式有著戰(zhàn)略意義，同時對我國農村經濟的可持續(xù)發(fā)展、環(huán)保意識的加強有著直接的推動作用。在科學技術部、農業(yè)部、住房和城鄉(xiāng)建設部的大力支持下，各級政府已把秸稈氣化技術列入科技產業(yè)計劃、農村潔凈能源調整計劃、產業(yè)扶貧、環(huán)境保護等專項基金扶持的技術領域和稅收優(yōu)惠政策的扶持產業(yè)。該項目符合國家產業(yè)政策，是國家重點扶持的技術領域，也是目前大多數發(fā)展中國家正在積極引進和開發(fā)推廣的項目。

我國生物質氣化人員做了很多的研究，基本掌握了生物質氣化規(guī)律，也開發(fā)了一些生物質氣化技術的應用工藝。但由于或多或少地存在著氣化效率不高、原料通透性不強、燃氣焦油含量高、燃氣熱值相對較低、灰分含量高等問題，極大影響了燃氣的后續(xù)利用以及推廣使用。當前我國生物質氣化技術研究應側重以下方面：①研制高效、經濟的氣化裝置，提高燃氣熱值，解決好燃氣的后續(xù)處理，尤其是焦油的處理問題；②借鑒國外先進、成熟的工藝，提高研究起點；③隨著生物質氣化技術研究的深入，把具有較好應用前景的技術盡快工業(yè)化；④對已存在但尚不完善的工藝進行技術改造。

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本文作者：于江華  王湘寧  于京春  李  新  宋海寧  徐  方

作者單位：中交煤氣熱力研究設計院有限公司