生物质燃气二次除焦油废气处理装置

一、  项目概述

近几年来，随着农村经济的发展和农民生活水平的不断提高，生物质热解气化集中供气技术在农村得到了推广和使用，为广大农村居民提供了方便、清洁的气体燃料，取得了良好的社会效益和经济效益。但与此同时，生物质气化机组还存在着一些亟待解决的问题。由于农作物秸秆是低质生物质原料，具有松散、堆积密度小、灰分高、固定碳含量低等缺点，气化和燃气净化比较困难；燃气中含氧量偏高，形成不安全隐患；焦油含量高，易使机组和灶具堵塞。这些问题在一定程度上影响了该技术的商业化推广和应用，其中，气化气中焦油含量成为制约生物质气化技术商业化发展的决定性因素之一。本文就当前使用的秸秆气化机组存在的焦油含量高的问题，对生物质的气化过程进行了分析，对热解气化过程中焦油的生成及其影响因素进行了研究，并根据研究成果成功地研制出湿式净化低焦油生物质气化机组。应用该技术可将农作物秸秆、木屑、果壳等生物质原料转化为可燃气体。每千克秸秆可生产2-2.3m3气体，燃气成本为0.1元 / m3, 四口之家每天用气3-4m3左右，其费用低于燃煤，仅为使用液化气费用的 1/3。生物质是一种 CO2净排放量很低的可再生能源。利用生物质气化技术将农村大量的秸秆资源转变为可燃气，对其进行有效利用，不但可以提高用能品位，节约能源，还可以减少对大气环境的污染，具有显著的社会效益、经济效益和环境效益。我国是一个农业大国，具有丰富的秸秆资源，每年约有 8亿吨的农作物秸秆，秸秆气化集中供气技术具有广阔的发展前景。

二 生物质气化过程

生物质热解气化是一种将固体燃料变成气体燃料的热化学处理技术，它包括干燥、热解、燃烧和还原等一系列的复杂反应。这些反应在复杂的反应条件下互相影响，至今尚未有完善的反应模型对其进行描述。在生物质固定床横吸式气化反应炉内，固体生物质依次发生干燥、热解、燃烧和还原反应4个阶段，其中燃烧区放出大量的热量，并为其它3个吸热的物理化学过程的进行提供热量，气化反应原理图见图 1。当原料进入反应炉后首先被干燥，随着物料下移，温度不断升高，当温度升高到2000C上时，开始发生热解，生成固体焦炭和气体挥发分(包括 CO、CO2、H2、CH4、焦油、木醋酸和热解水等 ( 高温热解气体产物和焦炭在氧化区与氧气发生燃烧反应，所生成的高温气体与高温炭层发生非均相的还原反应，生成含有CO、CO2、H2、CH4  等成分的可燃气体

图 1 气化反应过程原理图

三 焦油的生成和再裂解

生物质气化制气的目标是获得尽可能多的可燃气，但在气化过程中，焦油是不可避免的流体产物。焦油在高温下与可燃气一起呈气体状态，但在低于2000C的情况下，就开始凝结为液体。焦油的存在对气化过程有许多危害：1气化气中焦油的含量一般占总能量的5%-15%，其存在会降低气化效率；2焦油在低温时容易凝结为粘稠的液体，与灰粒一起堵塞输气管道，影响系统的正常运行。目前，国外关于焦油净化的研究主要是采用催化裂解的方法来降低可燃气中的焦油含量，但成本较高，不适用于小型的气化炉。

焦油生成于气化过程中的热解阶段。当生物质被加热到2000C以上时，组成生物质的纤维素、木质素、半纤维素等成分发生明显的热分解，生成焦炭、木醋酸、焦油、气体等。在 6000C 以上时，液体产物焦油和木醋酸以气体的形式存在于所生成的热解气体中。总的化学反应如下：

干燥后的生物质固体+热量-焦炭+ CO+CO2 + H2+CH4 +木醋酸 +焦油

在热解过程中，当温度为 5000C 时焦油的产量最高，通过对不同加热温度和停留时间下气体中焦油的含量的研究表明，随着温度的升高和停留时间的增加，焦油的含量会明显地减少。焦油的成分十分复杂，主要是多核芳香族成分，其主要成分大部分是苯的衍生物，主要有苯、萘、甲苯、二甲苯、酚等，其特性是在高温下可以发生裂解，在低温下则以液体的状态存在。

在生物质气化过程中，焦油的最终含量与气化炉结构和气体后期处理工艺的关系很大。目前固定床气化工艺主要有逆流式和顺流式两种方式。逆流式工艺为气化原料由气化炉上部加入，气化剂由下部送风口进入。由于热解过程中所生成的含有焦油的挥发分未经过高温区发生裂解，燃气中的焦油含量较高。顺流式工艺为气化原料和气化剂均由气化炉上部送入，燃气从下部引出，燃气中的干馏产物在经过高温燃烧区时会发生裂解，燃气中焦油含量降低。综合上述两种气化方式，可以确定焦油对温度十分敏感。燃烧区的温度以及温度分布的均匀程度对于焦油的裂解影响很大。根据对气化过程的特点的分析，以降低气化气中焦油的含量为主要目的，研制了气化剂由侧向送入的

固定床气化炉，其结构示意图如图 2 所示。气化剂由炉体中上部附近进入，经氧化还原反应产生可燃气体，从另一侧进入净化器。通过改变炉内结构，使气化区和还原区的反应温度提高；增加还原区的高度，从而增加了焦油在炉内所经过的高温区的停留时间，使焦油裂解充分，燃气热值提高，焦油含量降低。机组的运行结果表明，该机组所产的气体具有焦油含量低的特点。

为了保证高温区的温度，在进气口设置了活动风门，可依据炉内的温度和压力，自动调节进风量，使炉内化学反应完全；与此同时，优化了炉膛的高径比，选择了合理的炉体内部结构，随着秸秆的不断燃烧，其堆积密度不断增加，所占空间不断减小，使反应速度均匀、连续，不会造成空洞，故气质稳定，产气量高。

四 燃气干式焦油吸附装置净化工艺

焦油的净化从源头上来讲是根本上解决生物质气化炉的结构与工艺问题，使焦油在裂化层满足其裂化反应的最佳条件，充分反应成CH4、H2，这样既解决了环境污染问题，又提高了气体的热值与燃气中可燃组分的含量，由于工艺上的限制生物质气化炉出口燃气中完全无焦油是不可能的，在工艺上存在二次除焦问题。目前常用的二次除焦技术有静电除焦油与过滤除焦油两种技术，下面就这两种技术做个简单的介绍。

1、静电除焦油技术

工作原理；当含焦油（尘）煤气通过处于气体电离状态下的两极空间时，气体中的尘埃和焦油微粒和电子碰撞摩擦过程中被强制荷电。由于电而被加速的自由电子不仅数量大，而且要通过整个极间空间流向正极（沉淀极），电子流通截面要占去两极间空间99%以上的面积，故气体尘埃和焦油微粒大部分带负电而流向正极（沉淀极），在沉淀极上带电尘埃和焦油微粒中和后而被收集，少量带正电荷的尘粒和焦油微粒流向负极（电晕极），中和后被收集。电离仅仅发生在离负极距离较小的强电场区域内，故带有正电荷的离子很容易被负极吸引而流向负极。正离子流通截面仅占整个极间空间很少一部分，

优点：处理风量大，只消耗电能。缺点：①由于静电的吸附作用，负极板易挂油、结垢，造成清洗困难，捕获焦油的能力降低等问题，即使装上蒸气清洗装置效果也不是很理想；②设备设计和质量要求高，设备稳定运行不易，投资大，维护保养难度大，存在二次污染问题；③安全性没有保障，静电除焦油对含氧量的要求是≤1，然而在实际的运行中燃气中含氧量某一时刻往往大于1。同时由于生物质气化炉中均为易燃易爆气体，放电丝的高压放电就给我们带来了安全隐患。④焦油处理效能≤2 0mg/m3不能满足发电机组≤10mg/m3的要求。

鉴于以上原因，盐城市海韵环境工程技术有限公司通过其他碳素企业沥青烟气焦粉吸附及焦化行业中焦粉吸附系统启发，通过，在烟气中喷入活性炭粉或氢氧化钙粉作吸附剂来吸附烟气中的焦油和VOC等成分。吸附法是废气与多孔性固体接触，使其在污染物吸附在固体表面而从气流在分离出来，吸附作用可发生在不同界面上，气体或污染物在固体（吸附剂）表面被吸附的过程是一种自发性过程。对于吸附剂及其被吸附物来说，被吸附物质的量随着表面增大而增加。活性炭粉或氢氧化钙粉本身就是非常良好的吸附剂。吸附剂一般满足以下要求：（1）比表面积及孔隙率大；（2）吸附能力强；（3）选择性好；（4）颗粒均匀，有较好的机械强度、化学稳定性和热稳定性好；（5）制作简单，价格便宜；

除尘系统中的焦油吸附装置设备，包括吸附剂粉喷淋管、物料流化器、焦油吸附装置设置于布袋除尘器前方，用于焦油烟气中大颗粒物与细微粉尘的分离；该焦油预处理设备运用活性炭粉或氢氧化钙粉喷淋管将吸附用的吸附剂粉均匀散布于焦油洗涤塔内部，与自下而上的焦油烟气进行有效混合吸附，使得进入布袋除尘器中的含尘气体焦油大量减少，从而能提升除尘器布袋使用寿命，减小系统阻力，增强除尘效果，减小运行能耗，降低维护成本。

其工艺流程如下；从气化炉出来的温度较高的粗煤气-初步冷却-水淋除尘、焦油-水浴除尘、焦油-水膜除尘、焦油-冲激除尘、焦油-气水分离-干式焦油吸附装置-风机-贮气罐。

五 焦油吸附装置净化工艺特点：

采用文丘里反应器完成干料对烟气的吸附过程，该法采用文丘里反应器，粉料进入VRI空心椎体，经锥形壳体上的沿辐射线布置的孔均匀的，成溢流状态流入烟气管道内，并很快布满管道截面，烟气连续流过，吸附剂料仓实现可控下料。反应过的吸附剂粉进入布袋除尘器，被过滤下来的含油吸附剂粉进入配料仓。在日常生产中，含油氢氧化钙粉满足生产要求，通常直接配料使用。通过文丘里反应器的氢氧化钙粉量可通过料仓下的调速回转下料阀控制，人员可通过除尘器收集的料粉干湿情况调整下料阀开度，以将吸附粉的下料量调整到适当的范围内，以保证焦油烟气被充分吸收。

、现有净化工艺参数：

1、气化炉出口燃气参数：温度300度，流量4000Nm³/h，主要成分见下表：生物质热解气含焦油废气预处理装置

2、现有净化工艺

燃气净化冷却后，温度低于60度，但杂质（焦油加颗粒物）含量超过 50mg/Nm ³，估计在 100-200mg/Nm³之间，不能很好的满足燃气发电机组的要求。如果能净化到5mg/Nm³以内，则可达到最佳效果