李宇宸

（北京中環(huán)博宏環(huán)境資源科技有限公司，北京100102）

　　摘要：生物質(zhì)垃圾氣化是解決城市垃圾的重要方法，具有廣闊的發(fā)展前景和市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。本文綜述了當(dāng)前城市生物質(zhì)垃圾氣化技術(shù)中的超臨界水氣化法、兩步（多步）氣化法、串行流化床氣化法，提出了生物質(zhì)垃圾氣化需要解決好焦油、二次污染和催化劑等問(wèn)題。生物質(zhì)垃圾氣化是未來(lái)城市垃圾解決的發(fā)展方向，也是提升資源利用效率，建設(shè)美麗中國(guó)的需要。

　　生物質(zhì)垃圾是指生物質(zhì)由于失去其原來(lái)價(jià)值或在一定時(shí)空中未能被利用，從而導(dǎo)致被擱置的一種狀態(tài)。其中，城市生物質(zhì)廢物主要包括家庭廚余垃圾、城市糞便以及城鎮(zhèn)污泥。隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，每年所產(chǎn)生的城市生物質(zhì)廢物以8%-10%的速度快速增長(zhǎng)，通過(guò)開(kāi)發(fā)利用垃圾來(lái)發(fā)電、焚燒集中供熱或氣化產(chǎn)生煤氣供市民使用，做好城市生物質(zhì)垃圾再利用是實(shí)現(xiàn)變廢為寶的重要途徑。預(yù)計(jì)，生物質(zhì)能利用量到2050年將占全球能源消費(fèi)的50%左右[1]。

　　1城市生物質(zhì)垃圾氣化處理工藝

　　近年來(lái)，隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以及城市環(huán)境污染問(wèn)題突出等因素，使得國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)資源化利用給予了更多關(guān)注，產(chǎn)生了許多生物質(zhì)燃?xì)饣录夹g(shù)和新方法。

　　1.1超臨界水氣化法

　　超臨界水氣化是指利用超臨界水可溶解多數(shù)有機(jī)物和氣體，及其密度高、粘性低、運(yùn)輸能力強(qiáng)的特性，將城市生物質(zhì)高效氣化，從而制備出可燃?xì)獾囊环N氣化技術(shù)。其中，超臨界水是指處于臨界壓力（22.12MPa）和臨界溫度（374.12℃）以上時(shí)的水，超臨界水是一種具有很強(qiáng)的擴(kuò)散和傳輸能力的均質(zhì)非極性溶劑[2]。超臨界水能夠改變相行為、擴(kuò)散速率，以及溶劑化效應(yīng)，從而達(dá)到增大擴(kuò)散系數(shù)、使反應(yīng)混合物均相化，并控制相分離的過(guò)程及其產(chǎn)物的分布?；诖?，超臨界水中氣化法制氫過(guò)程中發(fā)生的熱效率不會(huì)隨著生物質(zhì)含濕量的變化而變化，而且，對(duì)高濕氣物質(zhì)，在超臨界水中氣化具有比常規(guī)氣化和熱解過(guò)程能夠產(chǎn)生出更高的熱效率。閆秋會(huì)[2]等通過(guò)玉米芯、鋸木屑、木質(zhì)素以及農(nóng)業(yè)生物質(zhì)等超臨界水氣化的研究，得出了相關(guān)的研究結(jié)果：在這些生物質(zhì)氣化過(guò)程中離子反應(yīng)和自由基起到了十分重要的作用，并且通過(guò)升高壓力等舉措實(shí)現(xiàn)離子反應(yīng)的促進(jìn)效果，并同步做到自由基活性的抑制功效，最終會(huì)影響氣化產(chǎn)物的效果。徐雪松[3]采用超臨界水處理油性污泥的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在臨界溫度為420℃、臨界壓力為24MPa、pH值為10，密度ρ（COD）為1000mg/L的反應(yīng)初始條件下，采用超臨界水氣化技術(shù)對(duì)油性污泥的COD去除率高達(dá)95%。超臨界水氣化生物質(zhì)技術(shù)作為一種新興生物質(zhì)利用技術(shù)，具有很高的利用率和環(huán)保特性，日益受到普及和重視，但其效果也受到溫度、壓力、濃度、停留時(shí)間和催化劑等因素影響。例如，在沒(méi)有催化劑的作用下，溫度、壓力的升高有利于生物質(zhì)在超臨界水氣化技術(shù)中的氣化效率；高濃度不利于氣化完全進(jìn)行，但高濃度生物質(zhì)氣化商業(yè)及時(shí)更高；停留時(shí)間延長(zhǎng)有利于提升氣化率。綜上，生物質(zhì)原料濃度、成分、密度、pH等影響超臨界水氣化的因素較多，其監(jiān)測(cè)和目的產(chǎn)物難以實(shí)時(shí)快速控制；超臨界狀態(tài)下，所產(chǎn)生的活性自由基、強(qiáng)酸以及鹽類等對(duì)反應(yīng)器設(shè)備腐蝕性嚴(yán)重，增加日常維護(hù)難度；金屬離子及無(wú)機(jī)鹽在超臨界水中溶解度低，所產(chǎn)生的金屬氧化物和無(wú)機(jī)鹽沉積容易導(dǎo)致設(shè)備堵塞等等，這些問(wèn)題都需要在實(shí)際應(yīng)用中加強(qiáng)研究，采取有效措施予以解決。

　　1.2兩步（多步）氣化法

　　鑒于超臨界水氣化制氫在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生焦油，為降低生物質(zhì)燃?xì)饣^(guò)程中焦油含量，近年來(lái)，兩（多）步氣化法技術(shù)逐步被應(yīng)用到生物質(zhì)燃?xì)饣幚碇小桑ǘ啵┎綒饣üに囀菍⑸镔|(zhì)氣化過(guò)程中低溫?zé)峤夂透邷貧饣瘍蓚€(gè)過(guò)程采取的是相對(duì)分步進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了“多級(jí)”氣化的處理效果，使生物質(zhì)在氣化過(guò)程中保證其中的焦油裂解一直處于在高溫環(huán)境下進(jìn)行，將焦油充分地裂解為小分子不凝性的可燃?xì)怏w。兩（多）步法氣體化配合純氧、富氧、水蒸氣等催化劑聯(lián)合使用，能夠?qū)⑸镔|(zhì)原料中的焦油轉(zhuǎn)化成為氣體產(chǎn)品，極大地降低了焦油的含量，也提升了氣化效率。研究?jī)啥螝饣^(guò)程中，一段供風(fēng)與兩段供風(fēng)對(duì)降低生物質(zhì)氣化過(guò)程中的焦油生產(chǎn)量影響的結(jié)果表明：兩段供風(fēng)能夠顯著提升氣化爐內(nèi)的最高溫度和還原區(qū)溫度，氣體中的焦油含量顯著降低，僅為常規(guī)供風(fēng)的10%左右。而分步氣化法則充分保證了焦油在強(qiáng)化裂解的高溫條件下，通過(guò)充分的裂解為小分子小凝性可燃?xì)怏w，降低可燃?xì)怏w中基礎(chǔ)焦油質(zhì)量濃度，大大提高了燃?xì)馄焚|(zhì)。閆桂煥[4]等人研究發(fā)現(xiàn)，采用多步氣化法使生物質(zhì)在燃?xì)饣瘯r(shí)焦油強(qiáng)化裂解所需的高溫條件，并使生物質(zhì)在充分裂解成小分子不凝性可燃?xì)怏w，大大降低可燃?xì)怏w基礎(chǔ)焦油質(zhì)量濃度（其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能將焦油濃度降低到了20mg/m³以下），可燃?xì)怏w的品質(zhì)也得到了顯著提升。王立群等[5]人通過(guò)單一流化床兩步氣化法，對(duì)醋糟生物質(zhì)進(jìn)行氣化制取合成氣研究后發(fā)現(xiàn)，即使對(duì)于含水量較高的生物質(zhì)，采取兩步氣化法運(yùn)行穩(wěn)定，并且隨著含水量增加，氫氣含量也會(huì)隨之增加，隨著溫度的不斷升高（實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，最佳溫度為90-1000℃），燃?xì)庵袣錃獾暮恳矔?huì)不斷提升，兩步法為高含水量的生物質(zhì)燃?xì)饣幚硖峁┝思夹g(shù)和理論依據(jù)。

　　1.3串行流化床氣化法

　　近年來(lái)，隨著生物質(zhì)氣化研究和應(yīng)用的深入，流化床生物氣化工藝逐漸成為關(guān)注度高的一類技術(shù)。傳統(tǒng)流化床技術(shù)將生物質(zhì)氣化和燃燒同步進(jìn)行，離不開(kāi)催化劑應(yīng)用，并增加工藝過(guò)程的復(fù)雜性，也提升了工藝成本。將生物質(zhì)熱解氣化和燃燒過(guò)程分開(kāi)的串行流化床氣化法降低了氣體分離難度，其中，熱解氣化工藝主要采用的是鼓泡流化床（氣化反應(yīng)器），半焦燃燒則采用循環(huán)流化床（燃燒反應(yīng)器）工藝，惰性固體載熱體在這兩個(gè)反應(yīng)器之間實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。串行流化床氣化法基于的是循環(huán)流化床工藝?yán)砟?。該工藝能夠最大程度地保障了較高的產(chǎn)氫率，提升生物質(zhì)燃?xì)馄焚|(zhì)。沈來(lái)宏[6]等人利用AspenPlus軟件，建立串行流化床氣化反應(yīng)器模型，對(duì)生物質(zhì)催化氣化制氫進(jìn)行了模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，采用CaO催化生物質(zhì)蒸汽氣化反應(yīng)顯著提高產(chǎn)氫率，而且溫度會(huì)對(duì)催化氣化過(guò)程有顯著影響，即，隨著溫度提高，氣體產(chǎn)物中的氫氣含量明顯下降，在氣化反應(yīng)溫度為700℃、CaO催化作用下產(chǎn)氫率達(dá)到了94.1%。吳家樺等[7]人采用串行流化床氣化技術(shù)，研究了串行流化床在生物質(zhì)氣化過(guò)程中所受到的床層壓降和床內(nèi)溫度分布、生化反應(yīng)器溫度、S/B等因素的影響，其中，隨著反應(yīng)器溫度升高，合成氣中氫、一氧化碳減小，合成氣產(chǎn)率提升，熱值降低，總碳轉(zhuǎn)換率先升后降低，S/B最佳值為1.4，并得出了串行流化床生物氣化系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，能夠保證生物質(zhì)經(jīng)技術(shù)處理后滿足穩(wěn)定連續(xù)地獲得高品質(zhì)合成氣。

　　2生物質(zhì)氣化現(xiàn)實(shí)問(wèn)題及解決方案

　　2.1焦油問(wèn)題

　　焦油問(wèn)題是目前制約生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用和推廣必須要解決的問(wèn)題。城市生物質(zhì)垃圾自身所具有的有機(jī)物等原料特性，使得其在生物質(zhì)氣化轉(zhuǎn)換再利用過(guò)程中產(chǎn)生的必然產(chǎn)物。焦油的產(chǎn)生容易給設(shè)備造成腐蝕、堵塞設(shè)備管道，燃燒過(guò)程中生成的大量炭黑顆粒污染環(huán)境，損害燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備，減少設(shè)備的應(yīng)用周期，對(duì)氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成較大影響，不利于燃?xì)獾膽?yīng)用和發(fā)展。

　　2.2二次污染問(wèn)題

　　城市生物質(zhì)垃圾氣化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生焦油、灰塵等會(huì)給環(huán)境造成二次污染，此外，為了提升生物質(zhì)氣化后獲得合格的燃?xì)?，采用水洗等方法降低焦油和灰塵含量又造成了水資源和土壤污染問(wèn)題。

　　解決生物質(zhì)氣化二次污染問(wèn)題，尤其是水、灰塵污染等問(wèn)題，一方面，可以比照污水處理方法，將生物質(zhì)氣化過(guò)程中除灰塵和除焦油產(chǎn)生的廢水進(jìn)行無(wú)害化處理，積極采取循環(huán)利用技術(shù)，提升水資源利用效率。選用干式除塵、靜電除塵等技術(shù)加強(qiáng)灰塵的收集和處理，提升資源綜合利用，減少對(duì)環(huán)境的污染。

　　2.3催化劑問(wèn)題

　　城市生物質(zhì)垃圾氣化過(guò)程中往往需要借助各種催化劑的輔助作用，提升氣化反應(yīng)效果，目前已研制出各種催化劑，但也存在一些問(wèn)題。主要表現(xiàn)在催化劑的價(jià)格昂貴、易失活、抗燒結(jié)性差等不足，所以很難進(jìn)行大規(guī)劃的商業(yè)化應(yīng)用。催化劑作為生物質(zhì)氣化技術(shù)中一項(xiàng)重要的輔助性材料，積極開(kāi)發(fā)出高活性、高穩(wěn)定性以及高選擇性催化劑是未來(lái)的研究重點(diǎn)。其中，研究各種優(yōu)勢(shì)集于一體的復(fù)合型催化劑，以提升催化劑的抗失活、抗燒結(jié)、抗積炭等性能是發(fā)展的方向和重點(diǎn)解決的思路。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　近年來(lái)，隨著生物質(zhì)氣化研究和應(yīng)用的深入推進(jìn)，除了上述幾種主要工藝技術(shù)外，等離子體氣化、催化氣化、熱解氣化以及氣化劑氣化等技術(shù)應(yīng)用也得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。城市生物質(zhì)垃圾燃?xì)饣夹g(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了集中供氣、供熱和氣化發(fā)電階段。進(jìn)一步提升生物質(zhì)能，還需要在焦油裂解原理、灰塵二次污染、催化劑功能發(fā)揮機(jī)制、反應(yīng)器以及氣化產(chǎn)物定向性調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)方面加大研究，解決生物質(zhì)燃?xì)饣P(guān)鍵技術(shù)和配套設(shè)備等核心問(wèn)題，不斷完善生物質(zhì)垃圾燃?xì)饣夹g(shù)。

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