0 引言

        2023年5月，歐盟碳排放交易體系 (EU ETS) 立法通過分階段配額繳納和嚴(yán)格處罰機(jī)制，強(qiáng)制航運(yùn)業(yè)承擔(dān) 碳排放成本，2024年、2025年需要分別繳納上一年度碳排放配額的40%、70%，2026年起需要 100% 繳納上一年度的排放配額。如果零碳燃料的使用未達(dá)到歐盟要求，將強(qiáng)制收取“碳配額”費(fèi)和超排罰金。       

        2023 年 7 月，國(guó)際海事組織 (IMO) 在海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第 80 屆會(huì)議 (MEPC80) 上審議通過《2023 年船舶溫室氣體減排戰(zhàn)略》，設(shè)定了若干減排措施及核查指標(biāo)。隨著上述歐盟和國(guó)際海事組織對(duì)航運(yùn)業(yè)碳減排政策的出臺(tái)，全球主要海運(yùn)公司圍繞采用新的環(huán)保船舶燃料展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。其中，甲醇燃料目前處于領(lǐng)先地位，包括馬士基、中遠(yuǎn)海運(yùn)、達(dá)飛輪船等在內(nèi)的多家全球航運(yùn)公司選擇綠色甲醇作為替代燃料，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)綠色甲醇相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)的研究熱潮。2023年以來，綠色甲醇投資漸熱，不少產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)、金融機(jī)構(gòu)均在關(guān)注綠色甲醇相關(guān)項(xiàng)目，搶抓綠色甲醇發(fā)展“風(fēng)口”。目前針對(duì)綠色甲醇的認(rèn)證較為嚴(yán)格，當(dāng)原料 (氫氣和碳) 的來源均為可再生時(shí)，才能滿足歐盟綠色甲醇的認(rèn)證要求?？稍偕鷼錃馐侵咐每稍偕茉粗迫〉臍錃?，可再生碳是指生物質(zhì)中的碳或直接空氣捕獲二氧化碳。鑒于短期內(nèi)CO₂加氫制綠色甲醇成本較高，而利用生物質(zhì)發(fā)酵沼氣生成綠色甲醇的路線無法滿足大規(guī)模綠色甲醇需求，因此生物質(zhì)氣化合成綠色甲醇的生產(chǎn)路線成為當(dāng)前綠色甲醇項(xiàng)目的首選。在煤化工領(lǐng)域，利用煤氣化合成甲醇的技術(shù)已經(jīng)非常成熟。但由于生物質(zhì)與煤性質(zhì)差異較大，不能直接使用現(xiàn)在廣泛工業(yè)化應(yīng)用的煤氣化技術(shù)，故生物質(zhì)氣化技術(shù)是綠色甲醇項(xiàng)目的關(guān)鍵。

1 生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀

        生物質(zhì)氣化是指生物質(zhì)原料 (秸稈、稻草、木質(zhì)廢料等) 與氧氣在氣化爐內(nèi)進(jìn)行不完全燃燒發(fā)生熱解、氧化、還原、重整等反應(yīng)，產(chǎn)生合成氣的過程。由于生物質(zhì)由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、惰性灰等組成，含氧量和揮發(fā)成分較高，因此生物質(zhì)與煤相比，具有更高的活性，更適合氣化。生物質(zhì)氣化技術(shù)路線按照氣化反應(yīng)器類型分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化，均是在煤氣化或生物質(zhì)直燃鍋爐的基礎(chǔ)上開發(fā)而成。國(guó)外生物質(zhì)氣化技術(shù)起步較早，從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、生物質(zhì)氣化制甲醇等項(xiàng)目小試、中試的研究，如美國(guó) Battelle(63 MW)和夏威夷 (6 MW)、英國(guó) (8 MW)、芬蘭 (6 MW) 等聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范項(xiàng)目和美國(guó) NREL 生物質(zhì)制甲醇、瑞典BioMeet-Project、日本 MHI 等合成甲醇項(xiàng)目，大多使用固定床或流化床氣化技術(shù)，且規(guī)模較小。國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化合成綠色甲醇項(xiàng)目剛剛興起，生物質(zhì)氣化各技術(shù)路線都沒有工業(yè)化運(yùn)行的裝置，已公布的綠色甲醇項(xiàng)目超過80個(gè)，主要以生物質(zhì)氣化制綠色甲醇工藝為主，但大部分項(xiàng)目的生物質(zhì)氣化技術(shù)并未確定，處于調(diào)研選型、可研評(píng)審的前期階段。

2 生物質(zhì)氣化技術(shù)分類及特點(diǎn)

2.1 生物質(zhì)固定床氣化技術(shù)

        生物質(zhì)固定床氣化技術(shù)的特點(diǎn)是原料通過鎖斗間斷從頂部送入氣化爐內(nèi)，氣化劑從爐底進(jìn)入與生物質(zhì)發(fā)生加壓氣化反應(yīng)，反應(yīng)生成的合成氣自下而上通過原料床層，有效利用合成氣中的能量對(duì)原料進(jìn)行分解和干燥，整體熱效率較高，同時(shí)床層對(duì)合成氣起到了過濾的作用，出氣化爐的合成氣含灰量很低。但受氣化爐內(nèi)原料床層流動(dòng)特性限制，生物質(zhì)成型要求高，成型消耗大，成本高，如果成型把控不好，原料入爐后發(fā)生粉化，易造成床層阻力增大、氣化強(qiáng)度降低、床層燃燒不均勻、結(jié)渣堵塞、合成氣固含量上升等影響氣化爐正常運(yùn)行的現(xiàn)象。另外，在合成氣自下而上流動(dòng)過程中，溫度逐漸降低，使得合成氣中焦油、甲烷等有機(jī)物含量高，低溫粘壁后影響長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，且后續(xù)水處理難度較大。為解決合成氣中烯烷烴類有機(jī)組分含量高的問題，一般采用非催化部分氧化的方式進(jìn)行二次處理，會(huì)降低合成氣中有效氣含量。

2.2 生物質(zhì)流化床氣化技術(shù)

        生物質(zhì)流化床氣化技術(shù)的特點(diǎn)是小顆粒原料在氣化爐中處于流化狀態(tài)，流化速度相對(duì)較高。從流化床中攜帶出的顆粒在通過旋風(fēng)分離器收集后重新送入爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，從而提高了碳的轉(zhuǎn)化率，這對(duì)難以燃盡的生物質(zhì)的轉(zhuǎn)換效率具有明顯作用。氣化反應(yīng)速度快，適用于較小的生物質(zhì)顆粒。但為防止顆粒出現(xiàn)熔融結(jié)渣的現(xiàn)象，氣化爐內(nèi)溫度控制較低 (800～900 ℃左右)，反應(yīng)過程會(huì)產(chǎn)生焦油、苯、萘等有機(jī)物，合成氣后處理較為復(fù)雜，也需要進(jìn)行二次處理，合成氣中 (CO+H₂) 為 60%～65%，甲烷含量在2%～4%，有效氣體成分較低。同時(shí)，要保證穩(wěn)定的流化狀態(tài)和反應(yīng)狀態(tài)，其對(duì)生物質(zhì)的規(guī)格要求比較嚴(yán)格，適用于單一來源的生物質(zhì)。另外，目前循環(huán)流化床氣化壓力主要是常壓，但在甲醇合成工藝中需要將合成氣進(jìn)行多級(jí)壓縮提壓，能耗較高。加壓流化床能使系統(tǒng)氣化效率更高，產(chǎn)出的合成氣不僅溫度高，而且壓力大，但加壓流化床技術(shù)因氣體密度、流速變化存在流化態(tài)穩(wěn)定難題，技術(shù)成熟度、可靠度低。

2.3 生物質(zhì)氣流床氣化技術(shù)

        生物質(zhì)氣流床氣化技術(shù)的特點(diǎn)是生物質(zhì)粉與氣化劑通過噴嘴進(jìn)入氣化爐內(nèi)形成合適的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，生物質(zhì)粉在高溫高壓下完成氣化過程。合成氣中有效氣 (CO+H₂) 含量高，品質(zhì)好，甲烷含量低，不產(chǎn)生焦油、萘和酚等，凈化流程簡(jiǎn)單，碳轉(zhuǎn)化率高，大都采用膜式水冷壁耐火襯里，氣化爐開停車便捷，操作時(shí)間長(zhǎng)。氣化爐內(nèi) (如以渣抗渣) 及后續(xù)工藝技術(shù)都能根據(jù)不同生物質(zhì)的特點(diǎn)通過工程方案進(jìn)行匹配，對(duì)不同種類的生物質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)。但生物質(zhì)具有高揮發(fā)分、低堆密度、低可磨指數(shù)、低燃點(diǎn)的特性，不能直接使用傳統(tǒng)煤氣化制粉工藝。生物質(zhì)氣流床氣化技術(shù)難點(diǎn)在于需要將生物質(zhì)制成適合密相輸送的干粉。當(dāng)前存在三種生物質(zhì)制粉技術(shù)，一是將生物質(zhì)壓縮造粒后，使用傳統(tǒng)中速磨直磨制粉，但磨煤機(jī)能耗較高，生物質(zhì)損耗大。二是將生物質(zhì)在 200～300℃進(jìn)行烘焙碳化，再進(jìn)入磨機(jī)制粉。生物質(zhì)粉與煤氣化所需的煤粉粒徑、性質(zhì)相近，可直接在現(xiàn)有煤氣化裝置上氣化，但在烘焙碳化過程中生物質(zhì)能量損失大，運(yùn)行成本高。三是將生物質(zhì)在160℃進(jìn)行干化制粉，能量損失較小 (5%左右)，但其制粉設(shè)備暫無大型化運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，放大至工業(yè)化應(yīng)用能否滿足穩(wěn)定運(yùn)行的要求有待驗(yàn)證。

3 生物質(zhì)氣化技術(shù)的比較分析

        針對(duì)當(dāng)前主要開展研究試驗(yàn)推廣的固定床、循環(huán)流化床及干粉氣流床三種生物質(zhì)氣化技術(shù)路線，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和煤氣化領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比情況如表 1所示：

        從技術(shù)成熟度方面分析，目前以生物質(zhì)為原料的空氣常壓流化床直燃鍋爐或氣化制燃?xì)庖殉晒I(yè)化應(yīng)用，進(jìn)行純氧氣化改造的難度較小，技術(shù)成熟度較高；而固定床和流化床氣化技術(shù)在生物質(zhì)應(yīng)用方面沒有工業(yè)化運(yùn)行的案例，均處于試燒試驗(yàn)或與煤摻燒試驗(yàn)研究階段。故常壓循環(huán)流化床氣化技術(shù)成熟度最高，氣流床和固定床氣化技術(shù)成熟度次之。從合成氣品質(zhì)方面，根據(jù)各氣化技術(shù)原理、氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度及在煤氣化領(lǐng)域運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和生物質(zhì)氣化試驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面綜合分析，氣流床氣化技術(shù)有效氣含量能夠達(dá)到80%，甲烷含量低500 mg/L，且不含焦油，合成氣無需進(jìn)行二次處理；固定床和流化床氣化技術(shù)有效氣含量60%～80%，甲烷含量4%～8%，含有大量焦油，需要二次處理將焦油分解。故氣流床氣化技術(shù)合成氣品質(zhì)最好，流化床和固定床氣化技術(shù)合成氣品質(zhì)較差。從原料預(yù)處理及運(yùn)行成本方面分析，氣流床氣化技術(shù)要求將生物質(zhì)制成粉狀，粒徑小于1 mm，水分低于5%，目前因制粉技術(shù)不同，每噸生物質(zhì)原料加工成本在170～410元之間；流化床氣化技術(shù)對(duì)生物質(zhì)原料預(yù)處理要求較低，簡(jiǎn)單成型便于運(yùn)輸即可，每噸生物質(zhì)原料加工成本為100～150元；固定床氣化技術(shù)要求將生物質(zhì)壓縮成顆粒，且熱穩(wěn)定性≥45%，跌落強(qiáng)度≥90，在壓縮成型的過程中還需要添加特殊添加劑，每噸生物質(zhì)原料加工成本為330元左右。流化床氣化技術(shù)的原料預(yù)處理成本最低，但常壓流化床氣化技術(shù)在甲醇合成工藝中需要將合成氣進(jìn)行多級(jí)壓縮提壓，能耗較高，以0.28 元 /(kW·h) 用電成本，生產(chǎn)20萬 t/a 甲醇規(guī)模的裝置計(jì)算，每小時(shí)合成氣壓縮提壓耗電成本約為9 300元，折合生物質(zhì)原料成本每噸增加 120元以上。另外，流化床氣化技術(shù)合成氣中有效氣含量高，合成甲醇時(shí)消耗較低；而固定床和流化床氣化技術(shù)的合成氣中甲烷含量高。一是通過合成氣二次處理的方式將甲烷高溫轉(zhuǎn)化，必然會(huì)進(jìn)一步降低有效氣含量；二是在甲醇合成裝置進(jìn)行馳放，馳放氣中會(huì)夾帶有效氣同時(shí)排出。兩種方式均會(huì)使得消耗增加，推高運(yùn)行成本。故綜合考慮，氣流床氣化技術(shù)相較于固定床和流化床氣化技術(shù)的運(yùn)行成本低。從裝置投資方面分析，氣流床氣化技術(shù)氣化強(qiáng)度高，單爐產(chǎn)氣量大，相同規(guī)模的生物質(zhì)氣化合成綠色甲醇項(xiàng)目，需要設(shè)置的氣化爐臺(tái)數(shù)要少于固定床和流化床氣化技術(shù)，故氣流床氣化技術(shù)的裝置投資偏低。

4 生物質(zhì)氣化技術(shù)的選型建議

        通過上述生物質(zhì)氣化技術(shù)的比較分析，氣流床氣化技術(shù)應(yīng)用于甲醇合成時(shí)，較固定床和流化床有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，建議生物質(zhì)氣化合成綠色甲醇項(xiàng)目選擇氣流床氣化技術(shù)。但當(dāng)前生物質(zhì)氣流床氣化的難點(diǎn)在于生物質(zhì)制粉以及生物質(zhì)粉的輸送，要重點(diǎn)研究調(diào)研生物質(zhì)的制粉及輸送，關(guān)注相關(guān)方面技術(shù)的進(jìn)展，選擇的配套生物質(zhì)制粉技術(shù)，必須滿足生物質(zhì)粉穩(wěn)定輸送的要求，同時(shí)也要損耗小、成本低。

5 結(jié)語

        在當(dāng)前歐盟對(duì)航運(yùn)業(yè)減碳政策逐步嚴(yán)格，以及綠色甲醇需求激增的背景下，生物質(zhì)氣化技術(shù)成為熱點(diǎn)研究技術(shù)，但當(dāng)前沒有工業(yè)化成熟穩(wěn)定運(yùn)行的生物質(zhì)氣化裝置。本文對(duì)各生物質(zhì)氣化技術(shù)進(jìn)行了比較分析，建議綠色甲醇項(xiàng)目選擇氣流床氣化技術(shù)，同時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注生物質(zhì)制粉技術(shù)及生物質(zhì)粉的輸送情況，確保項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展。