1前言
生物質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，生物質能占總能耗的14%。從環境的觀點來看，開發生物質能有助于減輕溫室效應，減輕酸雨酸霧、粉塵等全球性環境污染。生物質能高品位利用成為近年來可再生能源發展最迅速的技術之一。
生物質氣化是生物質能高品位利用的一種主要轉換技術，是將生物質原料在缺氧狀態下燃燒和還原的能量轉換過程，它可以將固態生物質原料轉換成高品位的可燃氣體。
但其熱解氣化過程中產生的焦油會對管道、灶具、燃氣透平等造成堵塞、污染和腐蝕，因此須對所產的生物氣進行適當的凈化處理，但目前的生物氣凈化裝置投資較大，凈化效果不理想，使得凈化系統運行壽命短，經濟效益差，不宜推廣應用。因此，生物質燃氣的凈化已成為制約生物質熱解氣化技術商業化推廣的主要因素，是國內外生物質能科學領域所急待解決的重要課題。
目前，國內外對燃氣中焦油塵的凈化技術主要有濕式凈化、干式凈化和裂解凈化這三種形式。
濕式凈化系統主要是采用水洗滌的方法除去焦油和灰塵。這種凈化系統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燃氣進行凈化，系統成本較低，操作簡單，生物質氣化技術初期的凈化系統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生物質燃氣中所含雜質的特點，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，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。但該凈化系統去除焦油的效果不好，焦油的沉積嚴重。
裂解凈化技術是將在氣化中所產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，裂解裝置需要連續運行(否則效率太低)，這就限制了適用性，而且整個系統復雜，燃氣出口溫度較高。
我國生物質資源十分豐富，據統計，每年的秸稈產量7億t左右。目前這些秸稈僅有50%被利用，其余大量的農作物秸稈在田間地頭被直接焚燒，既造成了資源的浪費，污染了環境，并引發了一系列社會問題。因此，為推進生物質氣化與集中供氣技術的商業化，需盡快研制適合我國農村特點的小型低廉高效的凈化裝置。
2生物質燃氣理化特性
2．1焦油性質的測試
測試所用的焦油取自河南省林州市五龍鎮生物質秸稈氣化站，氣化原料為玉米芯。收集的試樣是進入水封前管道中凝結而流出的焦油。
經實驗分析，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℃以下的蒸發絕大部分為焦油中水的蒸發；焦油主要蒸發階段在140℃～150℃；焦油凝結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，焦油的凝結率為95%。
2．2生物質燃氣組成
河南省林州市五龍鎮生物質秸稈氣化站用玉米芯作氣化原料時的生物質燃氣成分是利用氣相色譜儀進行分析的，結果見表1。
2.3理化特性分析
一般從氣化爐出來的生物質燃氣中所含的雜質量為10～200g/m3，而在國家規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。
焦油在低溫時凝結為液態，容易和水、灰塵等結合而堵塞輸氣管道；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，生物質燃氣中所含的雜質顆粒細小，其中的固態顆粒粒徑大于0．5μm，焦油是一些較為穩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，同時生物質在氣化過程中要產生大量的水蒸汽，焦油和水蒸汽是呈霧狀進入生物質燃氣流的，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點以下也難凝結，這也是目前生物質燃氣較難凈化的主要原因，因而生物質燃氣的凈化關鍵是焦油和水蒸氣的凝結。
3生物質燃氣凈化裝置的設計
根據我國農村的情況，所要設計的生物質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，本文根據生物質燃氣中所含雜質的特點，設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就是把生物質燃氣快速冷凝到一定溫度，在冷凝的過程中，利用生物質燃氣中所攜帶的固體顆粒(灰塵)作為焦油和水蒸氣的凝結核，使焦油和水蒸汽凝結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。其氣體流程如圖．中箭頭所示。該凈化裝置的主要結構包括兩個部分：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計為一個整體(國家發明專利號99116313．3)，并研制出YN01型生物質燃氣凈化機，其結構簡圖如圖．所示。
4運行試驗結果
為了檢測該凈化技術及YN01型生物質燃氣凈化機在實際運行中的凈化效果，筆者于1998年11月在林州市五龍鎮生物質秸稈氣化站進行了運行試驗，試驗系統如圖2所示，主要檢測了生物質燃氣經過凈化機前后所含雜質(水、焦油、灰塵)的重量變化，結果平均凈化率超過85%。
本文研制的YN01型生物質燃氣凈化機為一個單體設備，既縮小了設備面積，又提高了焦油等雜質的去除率，而且系統操作簡單。用動態分析法對YN01型生物質燃氣凈化機進行了經濟評價(以凈化機運行十年計)，其評價結果為：凈現值(NPV)為1337，益本比(B/C)為1.0412V，說明本研究所設計的生物質燃氣凈化系統在經濟上也是可行的。
參考文獻
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來源：中國新能源網
