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生物质气化装置降低焦油含量

   生物质气化作为可再生能源,具有良好的发展前景,但由于气化炉产粗燃气中焦油含量高,缺少有效处理方法,已成为该技术在农村推广的主要障碍。焦油是生物质气化不可避免的副产品,在高温时呈气态,随温度降低逐渐凝结为液态。由于焦油成分非常复杂,可分析出的就有200多种,其中主要成分有20多种,含量较高的是苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚等,从燃气中进行有效分离或处理都很困难[3-4]。小型户用生物质气化装置常采用上吸式气化炉,焦油含量较下吸式气化炉高。燃气作为炊事用气虽不要求冷却可直接利用,但当燃气温度低于200e时焦油易凝结为液态,并与水、灰等结合堵塞输气管道或阀门等,严重影响气化装置的长期稳定运行。若呈气态进入灶具也难以实现完全燃烧,并容易产生炭黑等颗粒。由于焦油占粗燃气总能量的5%~15%,如果不经有效处理必将对环境和气化效率造成明显不利的影响。
  目前,气化装置中控制焦油含量的可用技术有两类:一类是裂解法,另一类是普通方法。裂解法又分热裂解和催化裂解,是在通过提供较高温度及其他条件下,把焦油分解成小分子可燃气体;普通法除焦油又可分为湿法和干法两种。
 1降低焦油含量的热裂解方法
  通过裂解方法将焦油设法转化为可燃气,既能提高气化效率,又可降低燃气中焦油含量,解决焦油对环境和设备运行的有害影响。热裂解法基于生物质气化过程,焦油产物的数量主要取决于转换温度和气相停留时间,一般生物质在500e左右时焦油产物最多;而在同一温度下气相停留时间越长,焦油热裂解则越充分。因此,气化过程中应尽可能提高温度和气相停留时间,使焦油热裂解,把焦油分解为永久性气体与可燃气一起利用,从而减少焦油数量和种类。热裂解法在1100e以上才能得到较高的转换效率,小型生物质气化装置(如采用固定床)的气化温度一般为900e左右,即使采用一些技术措施也难提高。因此,热裂解法要在实际中得到应用具有较大困难。
  2降低焦油含量的催化裂解方法
  焦油热裂解需要很高温度,但如果借助某些催化剂的作用对焦油进行催化裂解,不但可使焦油裂解的温度下降到750~900e,而且能提高裂解的效率。因此,催化裂解法是目前降低焦油含量最有发展前途的一项技术。生物质焦油裂解原理与石油的催化裂解相似。经国内外研究发现,可用于焦油转化的催化剂有白云石、碱金属和其他金属基催化剂、镍基催化剂等。如果满足低成本需要,还可利用石灰石、木炭以及石英砂等作为催化剂。其中,白云石(CaCO3·Mg2CO3)因具有催化效率高和成本低的特点而得到广泛重视[5]。
  焦油催化裂解能否达到预期效果,取决于在温度和接触时间方面是否满足要求的工艺条件。依据催化剂的加入位置和方法的不同,大致可分为两种:一种是将催化剂与生物质在气化前直接混合,使气化与焦油的催化转化在同一工况下运行。如白云石对焦油的裂解在温度达800e以上才有很高的裂解率[6](如图1所示),这一温度和生物质的气化温度相近,所以在炉内加入催化剂进行裂解反应,易满足要求的温度条件。另一种是在气化炉出口另设一个反应器,使焦油的裂解在一分开的反应炉中进行。因气化炉出口气体温度往往已降至500e,为此常通过外加热源或使燃气部分燃烧来提高温度,从而使催化裂解技术更适合于较大型的气化系统。
  催化裂解过程中水蒸汽的存在也能发挥重要作用。水蒸汽能和某些焦油成分发生反应,生成CO和H2等气体,既减少了碳黑的产生,又提高了燃气产量。