生物质焦气化和煤气化的研究现状

1 生物质气化

生物质气化是复杂反应的集合，气化过程中提供有限氧气，而将燃料大部分化学能 转移到燃气中，在利用燃气时再将化学能释放出来。生物质气化可以分为干燥、热解、 氧化和还原这几个阶段，对于不同的反应条件，其反应过程也不完全相同。气化反应的 方程式如表 1-4 所示。83549

（1）干燥：干燥过程主要发生在 100～150℃之间，燃料首先被加热，在加热过程 中燃料中的水分在 100℃左右释放。干燥是一个简单物理过程，燃料化学组成没有发生 变化。

（2）热解：燃料的热解温度高于 150℃，在热解过程中伴随着挥发分的析出，温度 越高，热解反应越剧烈。

（3）氧化（燃烧）反应：热解产物与氧气发生的氧化是一个剧烈放热反应。在四 个气化阶段中，干燥、热解和还原都是吸热反应，为维持这些反应的进行，必须提供足 够热量，因此氧化反应是整个气化过程的驱动力。

（4）还原反应：还原反应位于氧化反应的后方，燃烧产生的水蒸气和 CO2 等与碳 反应生成 H2 和 CO，从而完成固体燃料向气体燃料的转变。

表 1-4 气化基本反应

生物质气化可以根据气化剂分为氧气气化、水蒸气气化、氢气气化等类型。氧气气 化的气化剂为富氧或纯氧，避免了氮气的稀释，燃气热值是以空气为气化剂燃气热值的 两倍。但是制备氧气需要消耗大量能量，使气化成本提高，在生产燃料气时较少采用， 可以用于生产合成原料气。水蒸气气化以过热水蒸气作为气化剂，由于水蒸气气化为吸 热反应，气化时需要外加热源，所以独立性较差。氢气气化以氢气作为气化介质，主要 反应是在高温高压下氢气与碳和水蒸气生成甲烷的过程，氢气气化所得可燃气体热值较 高，但是由于反应条件苛刻，只进行了一些研究，并未在工程中使用[12]。生物质气化根据装置的不同可分为固定床、流化床和气流床气化炉三种。 固定床气化炉的类型有上吸式、下吸式和横吸式，其结构简单，原料使用性广，颗

粒度大到 100mm，水分高达 30%的燃料都可以使用，对燃料结渣敏感度低，适合于小 规模的气化操作，也是最早出现的气化炉类型，曾经大量地用于汽车和小型船舶，但是 难以大型化。

流化床气化炉适于大规模的气化操作，具有均匀反应温度和良好气固反应特性，可 以方便地使用各种气化介质，或者在床层中加入催化剂，获得所需要的产物组分，因此 近年来生物质气化装置越来越多地倾向于采用流化床气化炉。流化床气化炉对燃料颗粒度和粒度分布有一定要求，同时要求燃料水分在 15%以下。床料的任何结渣现象都会破 坏流化状态，限制了最高床层温度，一般在 800℃以下。

气流床气化炉结构简单，工作在 1100～1650℃的高温下，所以气化速率高，燃料很 快被气化导致产物中焦油含量少。因此，有利于将其用于制备合成原料气。但是其燃料 浓度低，换热条件差，有可能造成热损失和换热器表面粘结。

2 生物质焦气化研究现状

生物质焦是指生物质在高温下，水分脱出、挥发分析出而残留的固体产物，是生物 质碳化后的产物[13]。生物质中含有较多的挥发分，析出过程中由于发生碳化反应生物质 的表面和内部容易形成多孔结构。生物质焦作为热解的产物与生物质原料相比具有较少 的挥发份和较低的含氧量，但是生物质焦的固定碳成分比生物质原料多。同时，生物质 焦相对于煤焦而言，氮和硫的含量较少，生物质焦不仅拥有良好的反应性，而且对环境 的污染小，因此被认为是优质的固体原料[14]。