北京市科技计划课题实施方案(定稿)20091125(论文资料)

课题编号： 密级： 北京市科技计划课题实施方案（讨论稿）课题名称：秸秆气化过程中焦油处理工艺研究所属项目名称：生物质资源在新农村应用中瓶颈技术研究与示范所属领域： 新能源与可再生能源课题承担单位： 北京金伟晖公司工程技术有限责任公司项目主持单位：北京市可持续发展科技促进中心市科委主管处室：社会发展处起止年限：2010 年 1 月2011 年 12 月北京市科学技术委员会制二九年十一月2课题承担单位基本信息单位名称 北京金伟晖工程技术有限公司法人代码 X0038738-0 隶属关系 北京市上级主管单位名称单位类型 企业 企业注册经济类型 有限责任单位地址 北京市海淀区学清路 38 号金码大厦 B 座 1805 室邮政编码 100083 所属区县 海淀单位传真 01082837816 电子邮箱 G高新证书号 GR200811000995 所在高技术开发区 中关村单位负责人 丁冉峰 联系方式 82838989单位科技管理部门负责人 丁冉峰 联系方式 82838989课题负责人 丁冉峰 联系方式 82838989财务负责人 刘常青 联系方式 82838989联系人 耿小强 联系方式 828389898203市科委认定研发机构批准号课题基本信息课题所属学科 新能源 课题服务的行业 生物质能课题所处阶段类型 课题采用主要技术的来 源成果预期表达形式 技术创新类型3编 写 说 明1.本方案适用于北京市科委立项、市科技经费支持的科技计划课题，由课题承担单位依据北京市科技计划项目管理办法提出，经论证后由市科委确定。2.本方案需按照市科委统一提供的用户名和密码，登陆“北京市科委在线服务平台” （网址：）填写，字体统一用宋体小四；确认所填信息正确、完整并经课题负责人检查无误后，提交市科委审核并网上提交确认后，在线进行打印（用 A4 纸） ，用 A4 幅面纸复印，用普通订书钉装订。打印后的课题实施方案不得再行修改。3.“课题编号”和“课题所属项目”由市科委确定。 “密级”由课题承担单位根据国家有关保密工作规定提出，项目主持单位审核，市科委确定。 “密级”一经确定必须严格按照该级别“密级”文件管理规定执行。4.本方案表中所有栏目均需填写，凡无内容填写的栏目，请用“/”或“无”表示。第一次出现外文名词时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写。5本方案各项内容填写应当实事求是，尊重他人知识产权，遵守国家有关知识产权法规。对于伪造、篡改科学数据，抄袭他人著作、论文或者剽窃他人科研成果等科研不端行为，一经查实，将记入信用记录。6.课题经费预算要按照北京市科技计划项目（课题）经费管理办法编写，对于虚假编制等违规行为，一经查实，将记入信用记录。7.本方案正本一式五份（市科委三份，主持单位一份，承担单位一份） ，由课题承担单位负责人和课题负责人亲笔签署意见，经项目主持单位审查后，报送市科委(地址：北京市西城区西直门南大街 16 号，邮政编码：100035)。8.编写内容可参考各项栏目括号内的说明(本方案正本应删除说明内容)。4一、课题的目的、意义及必要性能源一直是困扰世界各国经济和社会发展的重要因素。随着石油资源的日益枯竭，生物质能源将成为 21 世纪主要的新能源之一。我国的生物质能极为丰富，以秸秆资源为例，预计到 2010 年，我国主要农作物秸秆产量将达到 7.8 亿吨；预计到2015 年，我国主要农作物秸秆产量将达到 9 亿吨左右，其中约一半可作为生物质能的原料。秸秆等生物质燃料一直并将继续成为农村炊事的主要能源，现在的秸秆燃气是传统生物质燃料利用的延续与变革，清洁、高效、经济，深受广大农民欢迎。农村生物燃气的利用不仅实现了秸秆等能作物残留物的就地消化，减少污染，又节约用煤，实现资源综合利用。生物燃气是环保、节能、可持续发展的能源利用和供给方式，因此，发展农村生物质能源是中国农村发展长期战略的重要组成部分，中国政府对可再生能源的开发利用高度重视，中国利用亚行贷款中国农村能源生态建设项目以及地方政府的秸秆气化等项目支持了农村生物质能源发展。生物质燃气是推广农村生物质能发展的良好的切入点。生物气化集中供气系统可以改变农民传统的烧柴、燃煤、燃气(部分)结构，减少能源用量，节约能源；可以降低柴草用量（生物质气化集中供气系统每户的秸秆用量是直接燃烧柴草做饭的二十分之一） ，减少薪柴砍伐，且无烟尘排放，保护生态环境；可以减少柴草堆放，改善村容村貌；可以实现“两人烧火，全村做饭” ，改善农民生产、生活条件，缩小城乡差别；可以降低燃料的费用支出，减轻农民负担（以 3 口人之家计算，应用生物质燃气平均每月用 60 立方，每立方 0.3 元，全年为 216 元；用液化气平均每月用1 罐，每罐 80 元，全年 960 元；用蜂窝煤每月 120 块，每块 0.6 元，全年 864 元；用秸秆、柴草直燃，每月 750 公斤，每公斤 0.15 元，全年 1350 元） 。近年来，北京市委、市政府也对生物质能技术在北京郊区发展非常重视并给予了很大投入，把农村生物质能利用作为新农村建设的重点工作，北京开展生物质资源利用的工作走在全国前列，促进了京郊生物质能产业的发展。特别是自 2006 年起，在京郊实施的“让农村亮起来” 、 “让农户暖起来” 、 “让农业资源循环起来”工程（简称“三起来”工程）中，生物质能产业更是迎来了加速发展期。 北京市“十一五”时期能源发展及节能规划指出，到 2010 年，新建固体生物质发电 12 万 kW，发展农村户用高效生物质颗粒燃料 10 万 t。据统计，北京市园林绿化建设废弃生物5质资源量约 200 万 t，若全部利用，可替代 130 万 t 标准煤或 60 万 t 原油；年产各类农作物秸秆约 80 万 t，相当于 40 万 t 标准煤。另外，北京市果树种植面积达 7.5万公顷，以桃、苹果、柿子等为主，每年剪裁树枝和果树剪枝约 100 万 t。由此可见，北京市的农林生物质资源相当丰富。但是目前，除了少量生物质用于农民生活燃料外，基本上都废弃或焚烧了，既浪费了资源又污染了环境，亟待开发适应于首都北京资源及其分布特点的生物质能利用技术与装备。截至目前，北京市生物质资源可利用量约 880 万吨，其中农作物秸秆、农产品加工剩余物、果树修枝、城市木质剩余物分别为 65.17、16.27、23.78、40.39 万吨。全市共示范推广生物质气化集中供气工程 97 个；生物质炊事炉 45960 台和采暖炉 7446 台；生物质固体成型燃料加工厂 19 个。据调查测算，三年间仅推广的生物质气化站可产燃气 5000 万 m3 以上，可供 6.25 万户农民常年使用。在市政府的大力支持下，北京农村生物质能产业发展初具规模。但另一方面，受制于推广过程中存在的技术、经济等因素的制约，大量农村生物质利用工程往往处于带病运行甚至被迫停运。据有关部门统计，截至目前，北京市已在京郊推广大中型生物质气化工程 227 处，其中秸秆气化 139 处，可为超过 4万户农户提供方便清洁的燃气。但是生物质燃气作为一项新技术，推广和应用还存在一些问题，导致目前秸秆气化集中供气工程在用的仅有 78 处，正常使用率仅为60%，严重影响了农村生物质能的应用和生物质能产业的持续健康发展，抓住瓶颈技术问题，科技攻关，突破难点，才能进一步推进生物质能在新农村中的广泛应用。北京市在秸秆气化新技术的研究与应用方面是一个空白。京郊农村秸秆气化系统多采用外省市科研单位研发的技术及设备。这与北京市全国科技、文化中心的地位不相称。新型秸秆气化技术在北京市的率先利用，不仅解决了京郊广大用户日常生产生活的问题，同时可以以此为契机，进一步发展北京市的秸秆气化产业。同时，北京市秸秆气化新技术在全国的示范作用，必然为秸秆气化新技术在全国的广泛应用产生巨大作用。以 2011 年全国秸秆产量 7 亿吨计，如果按照其中的 50%的秸秆气化，假如设备的处理量为 5000 吨，那么全国需要 7 万套设备。以每套设备 150 万元计，全国的秸秆气化设备市场为 1000 多亿元。如果北京市在秸秆气化技术及市场中占 40%，则本项目的研究可以为北京市贡献 400 亿的产值。因此，通过对秸秆气化过程中焦油处理工艺进行研究，建立秸秆气化重点实验室及企业技术中心，进而推动6秸秆气化工艺及设备技术进步，迫在眉捷，很有必要。另外，当前，能源供应紧张，特别是天燃气供应趋紧，导致全国局部发生“气荒” 。生物质热解气化技术可以在一定程度上替代天燃气的供应，缓解气荒现象。对于新农村建设提供能源上的保障。综上所述，生物质热解气化技术正朝着提高气体热值，降低焦油含量的趋势发展。我国秸杆资源丰富，本课题对充分利用这些资源、缓解能源紧张、提高能源品位、改善环境质量、提高人民生活水平等诸多方面具有重要意义。二、课题相关行业、领域国内外研究发展现状、趋势以及本单位在相关领域的工作基础秸秆气化属于生物质新能源产业。在发达国家，生物质作为能源的利用，多采用高投入、高产出的方式，建设大型的生物质能转化工程，将传统的生物质能转化为现代能源利用。例如，美国在 1992 年就大约有 1000 个利用木材气化的发电厂，运行装机 650 万千瓦，年发电 42 亿千瓦时，发电成本 4-6 美分每千瓦时，每千瓦投资 2000-3000 美元，美国加州电力供应的 40%来源于生物质发电，目前，生物质动力工业在美国已成为仅次于水电的第二大可再生能源。生物质转化为现代能源的利用在美国、瑞典和奥地利的基本能源消费中已分别占到 40%、16%和 10%。在欧盟国家中，开发利用的所有新能源和可再生能源(包括水电在内)中生物质能源已占总和的59.6%。国外生物质气化装置一般规模较大，自动化程度高，工艺较复杂，以发电和供热为主，如，加拿大摩尔公司(Moore Canada Ltd)设计和发展的固定床湿式上行式气化装置、加拿大通用燃料气化装置有限公司(Omnifuel Gasification System Limitred)设计制造的流化床气化装置、美国标准固体燃料公司(Standard Solid Fuels Inc)设计制造的炭化气化木煤气发生系统、德国茵贝尔特能源公司(Imbert Energietechnik GMBH)设计制造的下行式气化炉-内燃机发电机组系统等等，气化效率可达 60%-90%，可燃气热值为 1.7-2.5104kJ/m3。目前，在该领域具有领先水平的国家有瑞典、美国、意大利、德国等。美国近年来在生物质热解气化技术方面有所突破，研制出了生物质综合气化装置-燃气轮机发电系统成套设备，为大规模发电提供了样板。近十多年来,欧盟开展了将木料气化合成甲醇的研究工作。在1986年前建成的4个示范工厂规模为4.812t/d，气化炉均为流化床气化炉，用氧气或水蒸气作气化剂,产出中热值可燃气,滤出杂质和焦油后,再脱除CO 2，N 2，CH 4以及其它碳氢化合物，然7后在一定压力下，使CO和H 2O反应生成H 2，将CO和H 2按1：2的比例混合导入合成反应器,加入催化剂，合成甲醇。德国已广泛使用含1%3%甲醇的混合汽油，内燃机结构无须做大的改动，其输出功率近似于燃用纯汽油的内燃机的输出功率。生物质气化合成甲醇的技术目前已达到了投产的水平，但其产品的经济性尚不能与石油化工和煤化工相竞争。在芬兰凯米诺奥埃地区有个奥留化肥厂，它原以重油为原料生产化肥。1988年春天，此厂被改造成世界上第一个以泥炭为原料，采用气化合成氨的方法来生产化肥的厂家。其工艺是将含水量为40%左右的泥炭粉碎后，再干燥至含水量为15%左右，喂入加压流化床气化炉中。气化剂采用氧气和水蒸气的混合气体，反应温度为750950 ， 泥炭喂入量为23t/h，气化每吨泥炭需290m 3氧气和160kg水蒸气。气化得到的气体组分为:CO-35%，H 2-32%，CH 4-6%8%，CO 2-22%。每吨泥炭产出的气体经净化后可得到925m 3的CO与H 2的混合气，再此气体与N 2合成氨，进而生产出农用化肥。该厂还用泥炭与木屑的混合物作原料进行过试验，也获得了成功。从80年代初，我国也开展了农林废弃物的生物质气化研究。经过20多年努力，诸多高校和科研机构在研制生物质气化技术和装置方面已取得重大突破：生物质气化技术日趋完善；我国自行研制的集中供气和户用气化炉产品已进入实用化试验及示范阶段，形成了多个系列的炉型，可满足多种物料的气化要求，在生产、生活用能、发电、干燥、供暖等领域得到利用。其主要成果如下：中国农业机械化科学研究院研制出了ND系列和HQ系列生物质气化炉，其中ND-600型气化炉已进行较长时间的生产运行，用于木材烘干，可提高劳动生产率23倍，缩短木材烘干周期一半以上，并取得明显的经济效益；江苏省研究开发以稻草、麦草为原料，应用锥形流化床气化系统，产生接近中热值的煤气，供乡镇居民使用的集中供气系统，气体热值约8000KJ/Nm3，气化热效率达70%以上；大连市环境科学设计研究院利用研制成功的LZ系列生物质干馏热解气化装置建成了可为1000户农民提供生活用燃气的生物质热解加工厂；山东省科学院能源研究所研制的XFL系列下吸式秸秆气化炉在农村集中供气应用中获得了一定的社会效益和经济效益。我国的生物质气化发电技术也有一定的基础，但起步较晚，规模不大。主要是8160KW和200KW的生物质气化发电技术取得小规模应用：江苏吴江县生产的稻壳气化炉，利用碾米厂的下脚料驱动发电机组，功率达到160千瓦，已达到实用阶段；广州能源所开发的以木屑和木粉为原料，应用外循环流化床气化技术，制取木煤气作为干燥热源和发电，并已完成发电能力为180KW的气化发电系统。其中目前我国最大的发电规模为1MW，技术基本成熟，现已在福建莆田、海南三亚等三十个地方建成试点，取得较为显著的经济效益。现有的秸秆气化工艺过程 污 水水空 气 和 秸 秆 气 化 炉 水 洗 器除 水 系 统气 罐用 户 现 有 秸 秆 气 化 技 术 流 程 示 意 图现有的生物质气化集中供气系统由生物质气化机组系统、燃气输配送系统和用户燃气系统三部分组成。新型生物质气化机组系统由原料输送机、气化炉反应器、重力除尘器、一级冷却器、二级精洗器、制气泵、气水油分离器、射流集焦器、复式精细净化器及附属设备十部分组成；燃气输配系统包括储气罐、输配系统、附属设备和燃气管网；用户燃气系统由燃气表、阀门、低热值燃气灶具等组成。铡成小段的秸秆送入气化反应器中经过热解气化反应转换成可燃气体，在净化系统中除去燃气中含有的灰尘和焦油等杂质，由制气泵送至储气罐中。生物质气化器、制气泵和燃气净化器组成了生物质气化机组。储气罐的作用是贮存一定量的燃气。输配系统以平衡系统燃气负荷的波动，并提供一个始终恒定的压力保证用户燃气灶具的稳定燃烧。离开储气罐的燃气通过铺设在地下的燃气管网分配到系统中的每一个用户，用户打开燃器具的阀门，就可以方便的使用燃气。本单位具有石油化工的丰富经验以及各种实验设备，经过初步研究，确认现有秸秆气化技术存在的主要问题如下：1、气化过程中焦油的产生降低了气化系统的产气率、堵塞了输气管道、损坏了设备；2、秸秆原料利用率低，且生产、输送、配给成本较高，产气热值不高；3、可燃气体中，氮气含量较高，使得系统规模加大，能耗增加；94、可燃气体中一氧化碳的含量较高，使得系统及用户在使用过程中存在安全隐患；5、用水洗涤可燃气中焦油工艺中存在洗涤效率低，造成洗后水排放的二次污染，同时造成洗后气中焦油含量较高，在输送过程中堵塞管道及灶具；6、在现有工艺中，由于气化温度较高，造成可燃气体中烯烃和炔烃含量相对较高，它们的聚合也是堵塞管道的重要原因之一；7、在现有工艺中，可燃气体酸性物质含量相对较高，也是堵塞管道的重要原因之一；8、在现有工艺中，可燃气体中 C5+焦油含量相对较高，是堵塞管道的重要原因之一；9、在现有工艺中，急冷系统不合理，导致焦油含量较高，降低了产气率；10、在现有工艺中，热交换系统不合理，导致热利用率降低，能耗增加，降低了产气率；11、在现有工艺中，由于缺少吸收稳定系统，导致气体中焦油含量高。焦油问题一直是困扰大中型生物质气化工程的瓶颈。目前，我国使用的秸杆气化技术，主要以固定床为主。固定床工艺一般采用空气为气化剂，这类工艺，不论是上吸式、下吸式或是平吸式的气流方式，都有设备结构简单、易于操作、可以实现多种生物质原料的热解气化、投资少等特点。但是得到的生物质燃气热值低，一般只有 5000KJ/Nm3左右，且生物质气中焦油含量高，燃料利用率低，生产、输送、配给的成本较高。分析其原因，主要有两方面：第一，由于工艺路线局限，多采用空气为气化剂，得到的燃气中氮气含量高，通常在 50%左右，影响了气体的热值；第二，由于秸杆原料有些不利于气化因素，使得燃料得不到完全气化，仅利用了燃料中的挥发成分，固定碳得不到充分利用。集中供气的形式，以山东能源研究所开发的 XFL 秸杆气化系列和大连环境科学研究院开发的 LZ 生物质干馏气化系列为代表，前者产气率为 1.8-2.0m3/kg，但气体热值较低，仅为 5000kJ/m3，而且气体中焦油含量较高；后者气体热值可达 14000kJ/m3，