1前言
生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源之一，在世界能源消耗中，生物質(zhì)能占總能耗的14%。從環(huán)境的觀點來看，開發(fā)生物質(zhì)能有助于減輕溫室效應，減輕酸雨酸霧、粉塵等全球性環(huán)境污染。生物質(zhì)能高品位利用成為近年來可再生能源發(fā)展最迅速的技術(shù)之一。
生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)能高品位利用的一種主要轉(zhuǎn)換技術(shù)，是將生物質(zhì)原料在缺氧狀態(tài)下燃燒和還原的能量轉(zhuǎn)換過程，它可以將固態(tài)生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)換成高品位的可燃氣體。
但其熱解氣化過程中產(chǎn)生的焦油會對管道、灶具、燃氣透平等造成堵塞、污染和腐蝕，因此須對所產(chǎn)的生物氣進行適當?shù)膬艋幚?，但目前的生物氣凈化裝置投資較大，凈化效果不理想，使得凈化系統(tǒng)運行壽命短，經(jīng)濟效益差，不宜推廣應用。因此，生物質(zhì)燃氣的凈化已成為制約生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)商業(yè)化推廣的主要因素，是國內(nèi)外生物質(zhì)能科學領(lǐng)域所急待解決的重要課題。
目前，國內(nèi)外對燃氣中焦油塵的凈化技術(shù)主要有濕式凈化、干式凈化和裂解凈化這三種形式。
濕式凈化系統(tǒng)主要是采用水洗滌的方法除去焦油和灰塵。這種凈化系統(tǒng)一般是把兩個或兩個以上的水洗濾清器連接在一起對生物質(zhì)燃氣進行凈化，系統(tǒng)成本較低，操作簡單，生物質(zhì)氣化技術(shù)初期的凈化系統(tǒng)一般都采用這種方式，但這種方式由于存在以下幾個缺點而逐漸被淘汰：1．含焦油廢水通常直接排放而造成水污染；2．大量焦油隨水流失，造成能量的浪費；3．凈化效果不好。
干式凈化是為避免水污染問題且根據(jù)生物質(zhì)燃氣中所含雜質(zhì)的特點，采用多級過濾的凈化方法，如在固定床下吸式生物質(zhì)氣化機組中采用的兩級旋風除塵器除塵、一級管式冷卻器和箱式過濾器凈化系統(tǒng)，這樣不用水洗滌粗氣中的塵粒和焦油，可避免對水和土壤的二次污染。但該凈化系統(tǒng)去除焦油的效果不好，焦油的沉積嚴重。
裂解凈化技術(shù)是將在氣化中所產(chǎn)生的焦油利用某種方法使其裂解為可利用的一次性氣體，其方法有熱裂解、催化裂解、電裂解等，這種凈化技術(shù)較好地回收利用了焦油所含的能量，凈化率也比較高，但其工藝復雜，難以在我國農(nóng)村利用推廣。如催化裂解需要獨立的裝置，而且要求高溫，裂解裝置需要連續(xù)運行(否則效率太低)，這就限制了適用性，而且整個系統(tǒng)復雜，燃氣出口溫度較高。
我國生物質(zhì)資源十分豐富，據(jù)統(tǒng)計，每年的秸稈產(chǎn)量7億t左右。目前這些秸稈僅有50%被利用，其余大量的農(nóng)作物秸稈在田間地頭被直接焚燒，既造成了資源的浪費，污染了環(huán)境，并引發(fā)了一系列社會問題。因此，為推進生物質(zhì)氣化與集中供氣技術(shù)的商業(yè)化，需盡快研制適合我國農(nóng)村特點的小型低廉高效的凈化裝置。
2生物質(zhì)燃氣理化特性
2．1焦油性質(zhì)的測試
測試所用的焦油取自河南省林州市五龍鎮(zhèn)生物質(zhì)秸稈氣化站，氣化原料為玉米芯。收集的試樣是進入水封前管道中凝結(jié)而流出的焦油。
經(jīng)實驗分析，焦油試樣的主要特性如下：
(1)焦油為粘稠狀黑色液體，15℃時的密度為1560kg/m3。
(2)焦油在140℃以下的蒸發(fā)絕大部分為焦油中水的蒸發(fā)；焦油主要蒸發(fā)階段在140℃～150℃；焦油凝結(jié)下來的液體的顏色隨溫度的升高而加深。
(3)在相同測定條件下，實驗中所采用的幾種吸附劑(活性炭、玉米芯、硅膠)中活性炭對焦油的吸附率最高，而且吸附隨管程的增加而增加；吸附劑對焦油的吸附率隨吸附劑
顆粒的大小而變化，顆粒越小，吸附率越高。
(4)當焦油冷卻到35℃時，焦油的凝結(jié)率為95%。
2．2生物質(zhì)燃氣組成
河南省林州市五龍鎮(zhèn)生物質(zhì)秸稈氣化站用玉米芯作氣化原料時的生物質(zhì)燃氣成分是利用氣相色譜儀進行分析的，結(jié)果見表1。
2.3理化特性分析
一般從氣化爐出來的生物質(zhì)燃氣中所含的雜質(zhì)量為10～200g/m3，而在國家規(guī)定的民用燃氣標準中，焦油和灰塵含量小于10mg/m3，這是長期穩(wěn)定供氣的重要指標。焦油、水和灰塵的存在，將會造成管道的堵塞、污染和腐蝕。尤其是焦油的存在對氣化有多方面的不利影響。首先，它降低了氣化效率，氣化中焦油產(chǎn)物的能量一般占總能量的5%～15%，這部分能量在低溫時難以與可燃氣體一道被利用，大部分被浪費；其次，焦油的成分非常復雜，可以分析出的成分有100多種，還有很多成分難以確定，主要成分有：糠醛、乙酸、丙酮、呋喃、酚、苯的多種衍生物等。
焦油在低溫時凝結(jié)為液態(tài)，容易和水、灰塵等結(jié)合而堵塞輸氣管道；其中所含的有機酸對輸氣管道和灶具有很強的腐蝕作用。
從以上的實驗和分析可知，生物質(zhì)燃氣中所含的雜質(zhì)顆粒細小，其中的固態(tài)顆粒粒徑大于0．5μm，焦油是一些較為穩(wěn)定的小分子有機物的混合物，在一般情況下很難用化學的方法去除，同時生物質(zhì)在氣化過程中要產(chǎn)生大量的水蒸汽，焦油和水蒸汽是呈霧狀進入生物質(zhì)燃氣流的，焦油霧的粒徑小于1μm，而粒徑小于0．1μm的粒子具有和氣體一樣的行為，和氣體混在一起的焦油和水蒸氣在凝結(jié)點以下也難凝結(jié)，這也是目前生物質(zhì)燃氣較難凈化的主要原因，因而生物質(zhì)燃氣的凈化關(guān)鍵是焦油和水蒸氣的凝結(jié)。
3生物質(zhì)燃氣凈化裝置的設(shè)計
根據(jù)我國農(nóng)村的情況，所要設(shè)計的生物質(zhì)燃氣凈化裝置要求具有操作簡單、凈化效率高、焦油塵易收集、成本低、投資少等特點。
為此，本文根據(jù)生物質(zhì)燃氣中所含雜質(zhì)的特點，設(shè)計出用快速冷凝懸浮凈化的方法去除焦油塵。快速冷凝懸浮凈化技術(shù)就是把生物質(zhì)燃氣快速冷凝到一定溫度，在冷凝的過程中，利用生物質(zhì)燃氣中所攜帶的固體顆粒(灰塵)作為焦油和水蒸氣的凝結(jié)核，使焦油和水蒸汽凝結(jié)于灰塵顆粒上而加大顆粒直徑，再利用物理懸浮分離的方法沉降去除雜質(zhì)。其氣體流程如圖．中箭頭所示。該凈化裝置的主要結(jié)構(gòu)包括兩個部分：熱交換器和焦油塵懸浮分離器。為了便于安裝和連接，避免管道積灰，本文將熱交換器和焦油塵懸浮分離器設(shè)計為一個整體(國家發(fā)明專利號99116313．3)，并研制出YN01型生物質(zhì)燃氣凈化機，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖．所示。
4運行試驗結(jié)果
為了檢測該凈化技術(shù)及YN01型生物質(zhì)燃氣凈化機在實際運行中的凈化效果，筆者于1998年11月在林州市五龍鎮(zhèn)生物質(zhì)秸稈氣化站進行了運行試驗，試驗系統(tǒng)如圖2所示，主要檢測了生物質(zhì)燃氣經(jīng)過凈化機前后所含雜質(zhì)(水、焦油、灰塵)的重量變化，結(jié)果平均凈化率超過85%。
本文研制的YN01型生物質(zhì)燃氣凈化機為一個單體設(shè)備，既縮小了設(shè)備面積，又提高了焦油等雜質(zhì)的去除率，而且系統(tǒng)操作簡單。用動態(tài)分析法對YN01型生物質(zhì)燃氣凈化機進行了經(jīng)濟評價(以凈化機運行十年計)，其評價結(jié)果為：凈現(xiàn)值(NPV)為1337，益本比(B/C)為1.0412V，說明本研究所設(shè)計的生物質(zhì)燃氣凈化系統(tǒng)在經(jīng)濟上也是可行的。
參考文獻
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來源：中國新能源網(wǎng)
