浅析生物质气化技术对生物甲醇物耗及能耗的影响

浅析生物质气化技术对生物甲醇物耗及能耗的影响

郝鑫

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摘要：近年来，随着煤炭、石油等传统能源的逐渐消耗及其利用过程中带来的环境污染等问题日趋加重，生物质能源逐渐受到研究人员的高度关注。在众多生物质能源利用技术中，生物质气化耦合发电技术将秸秆等原料气化为可燃气后送至燃煤锅炉中进行耦合燃烧发电，被认为是未来的主要应用技术之一。目前国内生物质气化所采用的炉型一般包括固定床气化炉和流化床气化炉。但是固定床气化炉由于生产能力小、焦油产量大、气化效率低并且不能进行大规模的工业化生产等缺点并未得到大规模的应用。而流化床气化炉由于气化效率高、原料适应范围广、合成气焦油含量低并可以大规模工业化应用等优点成为气化的首选方式。在生物质气化过程中，必须确保原料输送的密封性、连续性。基于此，本篇文章对生物质气化技术对生物甲醇物耗及能耗的影响进行研究，以供参考。

关键词：生物质气化技术；生物甲醇；物耗及能耗；影响分析

引言

生物质是一种绿色环保、可再生资源，可以转化为固体、液体和气体等形式的燃料，被认为是一种潜在的颇具有产业化前景的替代化石能源的清洁能源。尽管生物质作为燃料燃烧时释放CO2，但其生长过程在外界环境中吸收CO2，构成了以绿色植物为纽带的碳循环系统，维持了地球生态中的碳平衡，理论上实现了CO2负排放。随着“双碳目标”、“乡村振兴”、“蓝天保卫战”等配套政策的颁布，鼓励发展可再生能源，探索生物质发展新工艺、开发新设备，成为行业可持续性发展的必然趋势。当前生物质资源化利用模式较为粗放，面临产物单一、经济效益欠佳、商业规模化应用难等问题。如何在双碳目标导向下挖掘出生物质能的巨大潜能，探索能源系统低碳转型路径显得尤为关键。生物质利用技术主要包含直燃发电技术、热化学转化技术、生物化学转化技术等。在热化学转化路线中的生物质热解多联产技术可现生物质的清洁利用，在高效处理废弃物的同时，生产高品质燃气、生物炭、生物油等高值化产品。

1生物质新型气化技术

1.1等离子体气化技术

等离子体是不同于固态、液态、气态形式的第四种状态，又称电离了的“气体”，整体呈电中性状态。等离子气化技术主要适用于城市固体废物的处理，包括原料预处理装置、等离子气化炉、净化装置等，利用等离子体温度高的特性，提供了一个高温达4000~7000℃的反应环境，有机化合物被热分解，转化为无焦油、高质量合成气，大幅度提高了反应速率。该技术优点是原料预处理要求低，合成气的污染物含量少，反应时间短，规模化放大容易；缺点是融化的材料在管道中容易出现凝固的现象，维护、运营成本高。

1.2微波热解气化技术

微波是一种波长在1mm~1m，频率在300MHz~300GHz的电磁波，介于无线电波和红外辐射之间，穿透力极强，能够深入物质内部。传统热解技术是由外至内，采用热传导、热对流和辐射方式加热，传递过程会损耗热量且加热速率慢。微波热解技术不同于传统的热解技术，热量来源是物质内部反应物吸收微波热量后自身进行转动、碰撞和摩擦将微波能量转化为热量。目前微波加热已经成功应用于油棕壳、柳枝稷、稻草、污泥和松木屑等生物质原料的加工利用过程中。优点是加热速率快、反应时间短、热效率高、气化产物CO2含量降低，H2、CH4组分含量提高。缺点是油产率低、性质不稳定、商业化进程慢。在微波等离子体反应器中以纯蒸汽作为等离子体工作气体，详细研究了利用等离子体气化技术转化为可燃气的过程，在最高微波功率6kW时，生物质碳转化率达98%以上，合成气中氢含量丰富，体积分数在45%~65%，未参与反应的蒸汽则进行冷凝，生产热值范围在10.5~12.0MJ/m3的合成气。微波气化技术的原理是气泵将一定量的空气送入微波的反应器中，生物质和微波吸附剂变成流化状态，迅速发生气化反应，经过冷凝管H2、CH4、CO2、H2O等气体产物被收集装置收集。

2生物质气化技术对生物甲醇物耗及能耗的影响分析

2.1物料衡算及组成分析

2.1.1灰分生成量

灰分生成量见式（1）：

mash=MbWbAash（1）式中：mash为灰分生成量，kg；Mb为生物质入炉质量，

kg；Wb为入炉生物质质量分数，%；Aash为生物质灰分质量分数，%。计算得到灰分生成量mash=99.02kg。

2.1.2S平衡计算

H2S生成量计算见式（2）：

nH2S=MbWbw(S)/32.（2）

式中：nH2S为H2S生成量，kmol；Mb为生物质入炉质量，kg；Wb为入炉生物质质量分数，%；w(S)为生物质S元素质量分数，%。计算得到H2S生成量nH2S=0.029kmol。

2.2能量衡算

2.2.1供热量

2.2.1.1生物质发热能（3）

Q1=MbQbio.（3）式中：Q1为生物质发热能，MJ；Mb为生物质入炉质量，

kg；Qbio为生物质发热值，MJ/kg。经查阅相关参数并计算得到Q1=14580MJ。

2.2.1.2气化剂O2显热(4）

Q3=cO2Xt3（4）式中：Q3为O2显热，MJ；cO2为O2比热容，MJ/（kmol·℃）；X为O2入炉量，kmol；t3为O2入炉温度，取158℃。经查阅文献相关参数并计算得到Q3=3.91XMJ。

2.2.1.3供热量（5）

Q=Q1+Q2+Q3+Q4.（5）

计算得到Q=14694.096+3.91XMJ。

2.2.2付热量

2.2.2.1生成原料气（CO、H2、CH4）的发热能（6）

Q5=Vq.（6）式中：Q5为原料气发热能，MJ；V为原料气量，m3；q为原料气发热值，MJ/m3。计算得到Q5=10250.561-420.32XMJ。

2.2.2.2付热量（7）

Q′=Q5+Q6+Q7+Q8+Q9.（7）计算得到Q′=11614.184-411.85X+10.673Y。由Q=Q′，得到式（24）：3079.912+415.76X=10.673Y.（7）

3生物质气化

从经济层面分析，生物质气化供热系统节省一个气化过程，因此气化供热系统比直燃供热系统多购置一台设备，所需厂房面积、厂房土建费用、人工费更高。因此在相同的收入标准下，气化供热系统的成本比直燃供热系统的成本高。从技术层面分析，直燃供热系统比气化系统更为简便。但由于直燃供热系统直接燃烧物料，而气化供热系统先将物料气化获取清洁可燃气后进行燃烧，因此直燃供热系统的尾气排放高于气化供热系统，可能会增加废气处理成本，该成本对于整个系统的经济性分析的影响需要进一步地究。

结束语

总而言之，（1）生物质气化技术突破了传统气化技术的瓶颈，为生物质资源化利用探索出了一条绿色低碳、经济适用、可持续产业发展的良好途径和发展方向，是实现双碳目标的有效措施之一。（2）生物质气化技术，均具有较高综合利用效率。经过平衡分析和经济性分析，经济效益显著，在双碳目标下，具有更好的市场推广前景。（3）建议将秸秆等生物质综合利用与新农村建设相结合，运用生物质气化技术，可为乡村进行集中供气、供热，减少环境污染，助力乡村振兴建设。

参考文献

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