科技探源2|生物質(zhì)氣化的淵源與應(yīng)用優(yōu)勢
編者前言
隨著“唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)”旗下“唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司”（以下簡稱唐山金泉公司）以“終端全零碳化、節(jié)能高效化、煤氣電一體化、能源循環(huán)產(chǎn)業(yè)化為主要技術(shù)手段”的“石灰綠能生產(chǎn)6+1零碳解決方案”全面實(shí)施，生物質(zhì)能源被列為主要的、首選的石灰生產(chǎn)綠色能源之一，特別是其近期研發(fā)成功的“以碳賦能實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放聯(lián)產(chǎn)石灰”的系列專利、專有技術(shù)，將石灰生產(chǎn)中的“CO2回收+生物質(zhì)廢碳轉(zhuǎn)C1燃料”，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢碳進(jìn)行脫碳轉(zhuǎn)化為C1（CO、一氧化碳、煤氣）新能源生產(chǎn)石灰，達(dá)到取代化石燃料以及增值化和零碳化、負(fù)碳化的目的。該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施將有力推進(jìn)生物質(zhì)燃料在石灰行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)程，尤其是上期文章：（生產(chǎn)石灰的燃料可以讓汽車跑？←點(diǎn)擊進(jìn)入）發(fā)布后，引來眾多讀者的關(guān)注，為了讓大家進(jìn)一步的對生物質(zhì)氣化技術(shù)形成初期的認(rèn)識(shí)，本期文章重點(diǎn)介紹生物質(zhì)氣化的發(fā)展歷史和在我國產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展概括與展望，同時(shí)還重點(diǎn)介紹了生物質(zhì)能源在工業(yè)應(yīng)用及在石灰生產(chǎn)中的新技術(shù)應(yīng)用和成本優(yōu)勢分析。
一、氣化氣的發(fā)展歷史
生物質(zhì)氣化是一種將生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為氣體燃料或化學(xué)品的過程。生物質(zhì)氣化氣不是新發(fā)明，它源遠(yuǎn)流長，有著悠久的歷史。生物質(zhì)氣化的歷史可以追溯到公元前 1667 年，當(dāng)時(shí)德國化學(xué)家烏提尼斯在他的實(shí)驗(yàn)中使用木材進(jìn)行了氣化實(shí)驗(yàn)。第.一個(gè)木煤氣（wood gas） 發(fā)生爐是德國化學(xué)家比朔夫（Karl Gustav ChristophBischof，1792—1870）于1839年建成的，距今已經(jīng)有180年歷史了。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于化石燃料定量配給，木煤氣就被用來替代油料給車輛提供動(dòng)力。僅在德國就約有50萬輛。1944年，芬蘭有43,000“木汽車”，還有600條船使用木煤氣。 我國在新中國成立初期，以及近些年的朝鮮都使用過木煤氣作為汽車燃料。由于木煤氣能量密度低，操作繁瑣，當(dāng)便宜的油料大量上市時(shí)，木煤氣暫時(shí)退出了燃料市場。
直到19 世紀(jì)未和 20 世紀(jì)初，才出現(xiàn)了一系列重要的發(fā)展。在 19 世紀(jì)末，由于對煤礦資源的需求日益增大，人們開始尋找替代燃料。于是，生物質(zhì)氣化作為一種可行的選擇開始受到關(guān)注，當(dāng)時(shí)，生物質(zhì)氣化被廣泛應(yīng)用于城市和工業(yè)用途，以滿足能源需求。 20 世紀(jì)初，在石油和天然氣的廣泛使用下，生物質(zhì)氣化的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)相對平緩的時(shí)期。直到 20 世紀(jì) 70 年代，由于能源危機(jī)的影響，人們開始重新關(guān)注和研究生物質(zhì)氣化技術(shù)。在此期間，一些國家開始建立大型生物質(zhì)氣化設(shè)施，以解決能源問題。隨著對可持續(xù)能源的需求不斷增加，21 世紀(jì)初，生物質(zhì)氣化技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用。尤其是在農(nóng)村地區(qū)，生物質(zhì)氣化成為解決當(dāng)?shù)啬茉磫栴}的有效方法。此外，生物質(zhì)氣化也被用于生產(chǎn)化學(xué)品和燃料 ，以減少對化石燃料的依賴。 由于生物質(zhì)氣化具有較低的碳排放和環(huán)境友好的特點(diǎn)，越來越多的國家和地區(qū)將其作為可持續(xù)能源發(fā)展的重要方向。各種類型的生物質(zhì)材料如木材、農(nóng)作物廢棄物和生活垃圾等都可以進(jìn)行氣化，為能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)做出了重要責(zé)獻(xiàn)�？偨Y(jié)來說，生物質(zhì)氣化經(jīng)歷了一個(gè)漫長的歷史發(fā)展過程，從古代的實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)代的大規(guī)模應(yīng)用，它逐漸成為一種重要的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的增加，生物質(zhì)氣化的未來發(fā)展前景更加廣闊。
生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展歷史可以分為幾個(gè)階段，每個(gè)階段都有其特定的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場景：
●早期探索與技術(shù)起源：
生物質(zhì)氣化技術(shù)的起源可以追溯到1883年，當(dāng)時(shí)在歐洲首次出現(xiàn)了以木炭為原料的氣化反應(yīng)器。這種技術(shù)*初被用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，以推動(dòng)早期的汽車或農(nóng)業(yè)排灌機(jī)械。
●技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用：
在20世紀(jì)30和40年代，第二次世界大戰(zhàn)期間，由于石油燃料短缺，生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)開始得到廣泛應(yīng)用，特別是在德國，用于民用汽車的車載氣化器形成與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配套的完整技術(shù)。
到了20世紀(jì)50年代，尤其是在中國，由于能源困難，這種技術(shù)被用于驅(qū)動(dòng)汽車和農(nóng)村排灌設(shè)備。
●技術(shù)停滯與再發(fā)展：
二戰(zhàn)后，隨著廉價(jià)優(yōu)質(zhì)的石油的廣泛使用，生物質(zhì)氣化技術(shù)一度陷入停頓狀態(tài)。
兩次石油危機(jī)后，西方國家開始重新審視常規(guī)能源的不可再生性和分布不均勻性，投入大量資源進(jìn)行可再生能源的研究，生物質(zhì)氣化技術(shù)因此得到了新的發(fā)展機(jī)遇。
●現(xiàn)代應(yīng)用與技術(shù)革新：
進(jìn)入21世紀(jì)后，生物質(zhì)氣化技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，包括等離子體氣化技術(shù)、超臨界水氣化技術(shù)和微波熱解氣化技術(shù)等新型氣化技術(shù)的出現(xiàn)，這些技術(shù)提高了氣化過程的效率和產(chǎn)物的質(zhì)量，使得生物質(zhì)氣化技術(shù)更加多樣化和高效。
這一歷史概述展示了生物質(zhì)氣化技術(shù)從誕生到現(xiàn)代的演進(jìn)過程，以及它在能源領(lǐng)域中的重要性和不斷變化的應(yīng)用場景。
二、生物質(zhì)氣化原理
氣化氣的原理是將生物質(zhì)原料（林木竹木材下腳料，秸稈，果殼、家具下腳料、鋸末等）簡單破碎處理后，送入氣化爐中，借助于氣化介質(zhì)（空氣、氧氣或水蒸氣及二氧化碳等）的作用，使生物質(zhì)發(fā)生熱解、氧化、還原、重整反應(yīng)，熱解伴生的焦油進(jìn)一步熱裂化或催化裂化成為小分子碳?xì)浠衔�，獲得一氧化碳、氫氣和甲烷等可以燃燒的氣體。生物質(zhì)氣化氣技術(shù)關(guān)鍵在于焦油和灰分的減量和處理，也是生物質(zhì)氣化設(shè)備好壞的主要指標(biāo)。
熱解氣化是一種熱化學(xué)反應(yīng)技術(shù)，它通過氣化裝置的熱化學(xué)反應(yīng)，可將低品位的固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成高品位的可燃?xì)�。其基本原理是將物質(zhì)原料加熱，伴隨著溫度的升高，析出揮發(fā)物，并在高溫下裂解（熱解）；熱解后的氣體在氣化爐的氧化區(qū)與供入的氣化介質(zhì)（空氣、氧氣、水蒸氣等）發(fā)生氧化反應(yīng)并燃燒；燃燒放出的熱量用于維持干燥、熱解和還原反應(yīng)，*終生成了含有一定量 CO，H2，CH4，CnHm 的混合氣體，除焦油、雜質(zhì)后即可燃用或者發(fā)電。其原理可以用圖 1 表示。
從表中可以看出，氣化的基本原理是被氣化物所含的固體碳，在特定的條件下向一氧化碳（CO）轉(zhuǎn)化的熱化學(xué)過程。因此，生物質(zhì)氣化技術(shù)包含2個(gè)內(nèi)容，即熱化學(xué)過程和保證熱化學(xué)過程順利進(jìn)行所需條件的裝置。
三、國外及國內(nèi)生物質(zhì)氣化應(yīng)用概況
1、總體概況
在世界范圍內(nèi)，生物質(zhì)氣化主要用于供熱/窯爐、熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power,CHP）、混燃應(yīng)用和合成燃料，目前規(guī)模*大的應(yīng)用是CHP。20世紀(jì)80年代起，生物質(zhì)氣化被美國、瑞典和芬蘭等國用于水泥窯和造紙業(yè)的石灰窯，既能保證原料供給又能滿足行業(yè)需求，具有較強(qiáng)的競爭力，但應(yīng)用卻不多。20世紀(jì)90年代，生物質(zhì)氣化開始被應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)、多用柴油或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)（biomass integrated gasification combined cycle,BIGCC）也成為研究熱點(diǎn)，在瑞典、美國、巴西等國建成幾個(gè)示范工程。1998年，生物質(zhì)氣化混合燃燒技術(shù)已被用于煤電廠，將生物質(zhì)燃?xì)廨斔椭铃仩t與煤混燃，目前已商業(yè)化運(yùn)行�！ �
實(shí)際上，早在20世紀(jì)80年代，氣化合成燃料技術(shù)在歐美已經(jīng)有了初步的發(fā)展。近年來，受可再生能源發(fā)展政策的激勵(lì)，各國加大了對氣化合成技術(shù)的關(guān)注和投入，美國在氣化合成燃料乙醇方面取得了很大的成就，其產(chǎn)能已達(dá)600億L/a。
生物質(zhì)氣化*新的發(fā)展趨勢是合成燃料，利用氣化獲得一定H2/CO比的合成氣，比如:唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司研究開發(fā)的化學(xué)鏈合成燃?xì)庥糜谑腋G、水泥窯、冶金球團(tuán)豎爐、加熱爐、烘干爐等行業(yè)，以及通過合成反應(yīng)生產(chǎn)液體燃料（如甲醇、乙醇和二甲醚），能部分替代現(xiàn)有的石油和煤炭化工。
2、我國氣化裝置的應(yīng)用情況
國外生物質(zhì)氣化裝置一般規(guī)模較大，多用作氣化發(fā)電、生物質(zhì)燃?xì)鈪^(qū)域供熱、水泥廠供氣與發(fā)電聯(lián)產(chǎn)、生物質(zhì)氣化合成甲醇或二甲醚以及生物質(zhì)氣化合成氨。以前兩者*為主要。如在美國，生物質(zhì)能發(fā)電的總裝機(jī)容量已經(jīng)超過10000MW，單機(jī)容量達(dá)到10-25MW。1999年，瑞典地區(qū)供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)所消耗的能源中，26%是生物質(zhì)能。
我國的生物質(zhì)氣化主要用于發(fā)電/CHP、供熱/窯爐和集中供氣，已建成了從200kWe~20MWe不同規(guī)格的氣化發(fā)電裝置，氣化發(fā)電正向產(chǎn)業(yè)規(guī)模化方向發(fā)展，是國際上中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電應(yīng)用*多的國家之一。較具代表性的項(xiàng)目包括廣州能源研究所“九五”期間建成的福建莆田1MWe谷殼氣化發(fā)電系統(tǒng)、海南三亞1MWe木粉氣化發(fā)電系統(tǒng)、河北邯鄲600kWe秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)，以及“十五”期間建成的江蘇興化5MWe氣化蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站�！ �
氣化燃?xì)夤I(yè)鍋爐/窯爐應(yīng)用方面，中國的科研單位和企業(yè)也進(jìn)行了探索。在廣州能源研究所技術(shù)支持下，廣東省已建立生物燃?xì)夤I(yè)化完整的產(chǎn)業(yè)鏈條基礎(chǔ)，近幾年來成功地完成了幾十個(gè)生物質(zhì)燃?xì)忭?xiàng)目，典型項(xiàng)目包括常州運(yùn)達(dá)印染、珠海麗珠合成制藥、深圳華美鋼鐵和廣州天天洗衣等項(xiàng)目。目前主要發(fā)展途徑為以生物質(zhì)燃?xì)馓娲加�、燃�(xì)庾鳛殄仩t/窯爐燃料，以及熱風(fēng)爐和再生金屬熔煉（比如再生鋁）的燃料等。
利用生物質(zhì)氣化技術(shù)建設(shè)集中供氣系統(tǒng)以滿足農(nóng)村居民炊事和采暖用氣也已得到廣泛應(yīng)用，自1994年在山東省桓臺(tái)縣東潘村建成中國第.一個(gè)生物質(zhì)氣化集中供氣試點(diǎn)以來，山東、河北、遼寧、吉林、黑龍江、北京、天津等省市陸續(xù)推廣應(yīng)用生物質(zhì)氣化集中供氣技術(shù)。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，截至2010年底全國共建成秸稈氣化集中供氣站900處，運(yùn)行數(shù)量為600處，供氣20.96萬戶，每個(gè)正在運(yùn)行的氣化站平均供氣約350戶。
我國的傳統(tǒng)生物質(zhì)氣化裝置供氣及供熱應(yīng)用對比，表1所示。
四、傳統(tǒng)生物質(zhì)氣化技術(shù)概述
1、生物質(zhì)氣化技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備
生物質(zhì)氣化是通過氣化裝置的熱化學(xué)反應(yīng)，可將低效能的固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成高效能的可燃?xì)�，完成氣化反�?yīng)的裝置稱作氣化爐，因此氣化爐自然是生物質(zhì)氣化過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一。按床體的結(jié)構(gòu)可將氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化爐2種。如圖2，給出了6 種典型的氣化爐結(jié)構(gòu)圖。
2、常見傳統(tǒng)氣化爐的優(yōu)勢與劣勢對比（見表2）
限制生物質(zhì)氣化技術(shù)推廣的因素包括燃?xì)鉄嶂档�、焦油處理難、氣化效率低、爐內(nèi)結(jié)渣和團(tuán)聚等問題。因此對氣化的研究主要方向?yàn)樘岣呷細(xì)鉄嶂祷蛱囟ǹ扇細(xì)怏w含量，降低燃?xì)饨褂秃�，提高氣化效率，提升原料適應(yīng)性等。為提高燃?xì)鉄嶂祷蛱囟ǹ扇細(xì)怏w含量，可采用水蒸氣氣化、富氧氣化、雙流化床氣化、外熱式氣化等技術(shù)；
表2 不同類型氣化爐的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
3、新一代生物質(zhì)氣化及零碳負(fù)碳生產(chǎn)石灰技術(shù)應(yīng)用
為了解決上述傳統(tǒng)氣化爐的缺點(diǎn)，優(yōu)化和提升燃?xì)鉄嶂怠⒔褂腿珰饣瘧?yīng)用等符合石灰生產(chǎn)熱工需要，唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司開發(fā)的石灰窯回收二氧化碳?xì)饣夹g(shù)，利用新型氣化技術(shù)如兩段式氣化、化學(xué)鏈氣化、氣流床氣化和等離子體氣化等新型氣化技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用，其中包括多項(xiàng)專利技術(shù)：如：《豎窯CO2轉(zhuǎn)化新能源聯(lián)產(chǎn)石灰的裝置與礦化零碳排放方法》及《一種實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放聯(lián)產(chǎn)石灰的裝置與工藝方法》等。
其中，《豎窯CO2轉(zhuǎn)化新能源聯(lián)產(chǎn)石灰的裝置與礦化零碳排放方法》提供了一種能夠克服現(xiàn)有生物質(zhì)熱氣化裝置存在的不足和缺陷，采“段式串行還原一體發(fā)生裝置”，通過用化學(xué)鏈燃燒技術(shù)來進(jìn)一步提高生物質(zhì)氣化氣的H2和CO的含量、熱值以及減少焦油含量，能夠充分利用熱量的生物質(zhì)氣化及還原裝置。通過“再生資源+二氧化碳”的方式，在不借助外部熱源的條件下，利用石灰窯排放尾氣中低濃度CO2為氣化劑與生物質(zhì)燃料在汽化過程中直接轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)快速裂解，制備生成清潔的高熱值可燃?xì)怏w并與石灰窯聯(lián)產(chǎn)活性石灰。實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、利廢、負(fù)碳和價(jià)值轉(zhuǎn)化四維一體化的解決方案。
《一種實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放聯(lián)產(chǎn)石灰的裝置與工藝方法》是將生物質(zhì)固體燃料作為能源提供碳?xì)湓�，首先�?jīng)催化裂解制備碳?xì)湓矗ㄒ?/span>CO和H2等為主）的燃料進(jìn)行煅燒石灰，煅燒過程產(chǎn)生富含25~42%范圍的950~1200℃高溫CO2廢氣。
在生物質(zhì)催化裂解過程中，可產(chǎn)生8-40%（可調(diào)節(jié)）范圍的高溫生物炭（廢碳），高溫生物炭與來自石灰窯廢氣循環(huán)通道同樣高溫的CO2廢氣在密閉的反應(yīng)器中進(jìn)行接觸發(fā)生還原反映，通過調(diào)控反應(yīng)溫度、反映時(shí)間、廢氣流速等制備高質(zhì)量的CO氣體燃料，制得的CO作為燃料燃料返回到石灰窯再次進(jìn)行燃燒煅燒石灰。
該技術(shù)可以將生物質(zhì)催化裂解過程中產(chǎn)生的生物炭90%以上轉(zhuǎn)化為CO燃料，同時(shí)把煅燒石灰時(shí)產(chǎn)生的CO2廢氣98%以上轉(zhuǎn)化為CO燃料，既可以達(dá)到生物炭廢碳回收利用和轉(zhuǎn)化目的，也達(dá)到有效降低石灰生產(chǎn)的燃料成本和碳減排目的。
（注：上述兩項(xiàng)專利技術(shù)將另行發(fā)文介紹）。
五、生物質(zhì)氣化氣的成本與應(yīng)用優(yōu)勢
1、在供熱領(lǐng)域的成本優(yōu)勢對比
生物質(zhì)氣化氣的成本優(yōu)勢很明顯。在環(huán)保達(dá)標(biāo)的前提下，生物系氣化氣雖然能量密度比較低，但在供熱成本上依然具備較大的競爭優(yōu)勢。比如：
（一）、煤炭800元/噸，可以產(chǎn)出飽和蒸汽約6噸，每蒸噸燃料成本約133元（僅為燃料成本比較，不是綜合成本。下同）。
（二）、生物質(zhì)顆粒900元/噸（中間值），可以生產(chǎn)蒸汽4噸左右，每蒸噸燃料成本約225元。
（三）、生物質(zhì)氣化燃料400元/噸（中間值），可以生產(chǎn)蒸汽3.5噸（含水量大小影響效能，取中間值），每蒸噸燃料成本約114元。
（四）、天然氣按每立方米3.5元，80方一蒸噸計(jì)算，每噸蒸汽的燃料成本為280元。
2、在石灰生產(chǎn)領(lǐng)域的成本及應(yīng)用優(yōu)勢對比
（一）、煤炭1100元/噸（優(yōu)質(zhì)無煙煤塊煤），按照每噸石灰用煤炭145kg計(jì)算（平均值），每噸石灰燃料成本約160元（僅為燃料成本比較，不是綜合成本。下同）。
（三）、生物質(zhì)氣化燃料400元/噸（中間值），每噸燃料可以生產(chǎn)燃?xì)?/span>2600m³（含水量大小影響效能，取中間值），可生產(chǎn)石灰3.7噸，每噸石灰成本約108元。就是按照*低產(chǎn)氣量2200 m³計(jì)算，也可以生產(chǎn)3噸石灰，每噸石灰成本約133元。
（四）、天然氣按每立方米3.5元，按照每噸石灰需要110-120m³計(jì)算，每噸石灰的燃料成本為385-420元。
綜上所述，生物質(zhì)燃料氣化后生產(chǎn)石灰*具成本優(yōu)勢，而且與燃煤生產(chǎn)石灰工藝相比，省去了脫硫、脫銷設(shè)備投資和生產(chǎn)運(yùn)行成本，綜合成本更具優(yōu)勢。
特別指出的是，上述生物質(zhì)成本僅為生物質(zhì)燃料氣化轉(zhuǎn)化成本，不包括前述中唐山金泉公司該技術(shù)可以將生物質(zhì)催化裂解過程中產(chǎn)生的生物炭轉(zhuǎn)化為CO燃料，以及 CO2轉(zhuǎn)化為CO燃料的成本，如考慮該項(xiàng)成本，石灰生產(chǎn)成本將更低。
而且采用具有“零碳”屬性的生物質(zhì)原料氣化為CO燃?xì)鉃橹鞯娜細(xì)馍a(chǎn)石灰，改變了傳統(tǒng)石灰豎窯使用無煙煤或焦炭等石化能源的生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)能源向綠色能源應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。
資料編輯：
《石灰產(chǎn)業(yè)》編輯部
2024年11月08日
四、傳統(tǒng)生物質(zhì)氣化技術(shù)概述
2、常見傳統(tǒng)氣化爐的優(yōu)勢與劣勢對比（見表2）
