0、前言
隨著全球能源與環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯，迫切地需要我們對(duì)生物質(zhì)能源進(jìn)行開發(fā)、研究和利用。生物質(zhì)氣化技術(shù)將成為未來(lái)10至20年內(nèi)最為可行的技術(shù)之一．同時(shí)也是國(guó)際上生物質(zhì)能源研究的熱門方向。對(duì)于生物質(zhì)氣化設(shè)備來(lái)說(shuō)，目前世界上應(yīng)用最廣泛的是固定床氣化爐。隨著科技的進(jìn)步和技術(shù)的日趨成熟，歐美國(guó)家開始大力發(fā)展更為先進(jìn)的循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)，各種新形式的循環(huán)流化床氣化裝置不斷涌現(xiàn)，其原料適應(yīng)性更強(qiáng)，產(chǎn)氣熱值更高，生產(chǎn)能力和強(qiáng)度更大，調(diào)節(jié)范圍更廣。國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化主要采用常壓固定床氣化爐，從20世紀(jì)90年代開始，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所、浙江大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)和東南大學(xué)等單位逐步開展了對(duì)循環(huán)流化床氣化裝置的研究和應(yīng)用。
1、流化床生物質(zhì)氣化爐
應(yīng)用于生物質(zhì)氣化技術(shù)領(lǐng)域的循環(huán)流化床主要有外循環(huán)流化床，內(nèi)循環(huán)流化床和雙流化床。
1.1外循環(huán)流億床生物質(zhì)氣化爐
外循環(huán)流化床是最為常見的生物質(zhì)氣化裝置。其循環(huán)回路主要包括爐膛，循環(huán)灰分離器和飛灰回送裝置．其裝置如圖l所示。外循環(huán)流化床的飛灰分離器布置在床外，灰分從爐膛溢出后經(jīng)分離器分離后進(jìn)人下降管，再經(jīng)回料器回送至爐膛底部繼續(xù)流化。外循環(huán)流化床循環(huán)效率高，負(fù)荷易調(diào)節(jié)，床內(nèi)無(wú)埋管。國(guó)外外循環(huán)流化床在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域的應(yīng)用始于19世紀(jì)末，其技術(shù)較為成熟和完善，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。
德國(guó)Lurgi公司于1986年在奧地利Pols開發(fā)了世界上第一臺(tái)工業(yè)循環(huán)流化床氣化爐，氣化樹皮產(chǎn)生燃料氣；瑞典的Sydkraft AB公司于1996年建立了世界上第一座完整的使用木材作為燃料的IGCC氣化發(fā)電廠；意大利THERMIEENERGY FARM生物質(zhì)示范電廠于2002年在Cascina建成，其均基于外循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)。
加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)與華中科技大學(xué)于2004年合作研究了外循環(huán)流化床中的生物質(zhì)氣化過(guò)程，并得到了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合的平衡模型。
中國(guó)科學(xué)院廣州能源所從”六五”開始承擔(dān)相關(guān)國(guó)家研究課題，進(jìn)行了許多循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化的研究，并于2007年來(lái)建造了5.5 MW生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范電站，山東省科學(xué)院能源研究所和中國(guó)科技大學(xué)的陳平等也分別對(duì)生物質(zhì)外循環(huán)爐的熱電技術(shù)和實(shí)驗(yàn)特性進(jìn)行了研究。
1.2內(nèi)循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化爐
內(nèi)循環(huán)流化床是一種較新型式的流化設(shè)備。近年來(lái)在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域被逐漸采用，其主要通過(guò)非均勻布風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)床內(nèi)顆粒的大尺度內(nèi)部循環(huán)，增強(qiáng)了物料橫向混合，延長(zhǎng)了顆粒物料在床內(nèi)的停留時(shí)間，并且有利于燃料在床內(nèi)穩(wěn)定、快速的燃燒，從而使床料的燃燒過(guò)程更穩(wěn)定、充分。
Freedman和Merry首先提出了用不均勻布風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)床內(nèi)顆粒的大規(guī)模循環(huán)，并用液體進(jìn)行了試驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的內(nèi)循環(huán)流化床主要有隔板式內(nèi)循環(huán)流化床、錐形內(nèi)循環(huán)流化床、提升管式內(nèi)循環(huán)流化床和非均勻布風(fēng)式內(nèi)循環(huán)流化床。
1. 2.1隔板式內(nèi)循環(huán)流化床
隔板式內(nèi)循環(huán)流化床是近年來(lái)被廣泛研究并應(yīng)用于生物質(zhì)氣化領(lǐng)域的一種內(nèi)循環(huán)流化床，該床利用隔板將反應(yīng)器分為流化床和移動(dòng)床，易控制顆粒的循環(huán)速率，從而調(diào)節(jié)燃燒裝置的負(fù)荷。
意大利的拉奎拉大學(xué)的Pier Ugo Foscolo等于2006年設(shè)計(jì)了一套隔板式內(nèi)循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化冷模裝置并進(jìn)行了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，其試驗(yàn)裝置如圖2，結(jié)果表明當(dāng)床料量超過(guò)擋板上沿時(shí)顆粒循環(huán)開始發(fā)生，通過(guò)調(diào)節(jié)擋板的位置和氣體流速可以控制固體循環(huán)率。
中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所的原曉華，周肇秋，馬隆龍等從2005年開始對(duì)隔板式內(nèi)循環(huán)流化床中生物質(zhì)氣化過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分別采用稻殼和鋸末進(jìn)行了熱模氣化實(shí)驗(yàn)。
1.2.2錐形內(nèi)循環(huán)流化床
錐形內(nèi)循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，物料在提升管內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)后，進(jìn)入放大段，由于氣速降低，曳力大大減弱，加上擋板的碰撞和攔截作用使其發(fā)生轉(zhuǎn)向和回落，從而沿壁回流至塔底濃相區(qū)，并再次被氣流裹挾向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大部分顆粒的內(nèi)循環(huán)。
中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所于開發(fā)了內(nèi)循環(huán)錐形流化床氣化爐用來(lái)進(jìn)行秸稈富氧氣化實(shí)驗(yàn)。但該項(xiàng)研究其它后續(xù)報(bào)道較少，其氣化裝置如圖3所示。
1.2.3提升管式內(nèi)循環(huán)流化床
提升管式內(nèi)循環(huán)流化床是在氣體噴嘴上設(shè)置提升管，頂部的“T”型管相當(dāng)于分離器，有效地使顆粒分離落人床內(nèi)，周圍的環(huán)形區(qū)域?yàn)橄陆刀�，顆粒由提升管底部進(jìn)入管內(nèi)，形成循環(huán)。目前對(duì)于提升管式內(nèi)循環(huán)流化床用于生物質(zhì)氣化方面的報(bào)道在國(guó)內(nèi)外很少見。華南理工大學(xué)的Donglai Xie，C．JimLim對(duì)內(nèi)循環(huán)流化床冷模制氫裝置內(nèi)的氣固循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行了研究，其裝置屬于提升管式內(nèi)循環(huán)流化床，如圖4所示。
1.2.4非均勻開孔式內(nèi)循環(huán)流化床
非均勻開孔式內(nèi)循環(huán)流化床主要特點(diǎn)是只有1個(gè)風(fēng)室，通過(guò)不同的開孔率來(lái)達(dá)到非均勻布風(fēng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)原料粒度要求低，多用于城市固體垃圾的焚燒，其作為生物質(zhì)的熱解氣化設(shè)備也有一定的前景，但目前尚未有文獻(xiàn)報(bào)道。
1.3雙流化床生物質(zhì)氣化爐
雙流化床氣化裝置主要是由兩級(jí)反應(yīng)器組合而成，從而將生物質(zhì)的燃燒和氣化過(guò)程相對(duì)分離開來(lái)，使熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w不會(huì)被燃燒產(chǎn)生的煙氣所稀釋，因此可以得到純凈度更高的可燃?xì)怏w。
國(guó)外生物質(zhì)雙流化氣化技術(shù)主要是在20世紀(jì)才開始逐步發(fā)展起來(lái)，美國(guó)，加拿大，奧地利，新西蘭，日本等許多國(guó)家在該項(xiàng)技術(shù)上較為領(lǐng)先，從目前已知文獻(xiàn)來(lái)看，最早提出雙流化床概念的是日本的D．Kunii博士，并于1975年建立了實(shí)驗(yàn)裝置并著重關(guān)注了氣化區(qū)和燃燒區(qū)的完全密封。法國(guó)南希大學(xué)Deglise X等于1985年合作建立了小型的工業(yè)化裝置。
Battelle型流化床是美國(guó)Columbus OHrBattelle Memorial Institute研究中心于1 992年開發(fā)的多種固體流化床裝置(The multisolid flu-id bed)，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用Battel-le雙流化床技術(shù)進(jìn)行了煤一生物質(zhì)流化床高壓聯(lián)合氣化的研究，并在弗蒙特州的柏林頓電站建立了氣化發(fā)電技術(shù)示范廠且運(yùn)行良好。其氣化裝置如圖5所示。
1994年以來(lái)，奧地利維也納工業(yè)大學(xué)Hof-bauer等人采用雙流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)進(jìn)行了一系列理論和實(shí)驗(yàn)研究，并于2002年在澳大利亞建立了工業(yè)化實(shí)驗(yàn)裝置，如圖6所示，同時(shí)其致力于使用水蒸氣進(jìn)行生物質(zhì)氣化的研究。據(jù)作者所知，新西蘭坎特伯雷大學(xué)Shusheng Pang教授與奧地利維也納工業(yè)大學(xué)合作，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)作進(jìn)一步的研究和完善，其實(shí)驗(yàn)室已建成1座100 kW生物質(zhì)蒸汽氣化爐試驗(yàn)系統(tǒng)，并已成功運(yùn)轉(zhuǎn)2年以上。根據(jù)近年來(lái)的報(bào)道，荷蘭也建立了一座名叫Milena的雙流化床生物質(zhì)氣化工廠，目前已經(jīng)投產(chǎn)，其裝置基本與Hofbauer提出的相同。
日本橫濱市石川島播磨重工業(yè)有限公司的Takahiro Murakami，Xu等人自2003年開始進(jìn)行基礎(chǔ)性相關(guān)研究并設(shè)計(jì)了雙流化床氣化爐裝置，如圖7所示，該設(shè)備與維也納工業(yè)大學(xué)提出的反應(yīng)裝置主要不同處在于床料分離循環(huán)過(guò)程。Xu等研究者于2008年提出了兩段式雙流化床氣化裝置( T-DFBG)，其裝置如圖8所示，該裝置主要應(yīng)用兩段式氣化器代替鼓泡流化床氣化裝置，下段的反應(yīng)情形類似鼓泡流化床，而上段的主要作用是濃縮下段產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體并抑制可能發(fā)生的燃料顆粒的揚(yáng)析，此裝置可能會(huì)提高氣化效率并降低產(chǎn)品氣中焦油的含量。
我國(guó)對(duì)雙流化床技術(shù)的研究目前還處在發(fā)展階段。浙江大學(xué)熱能工程研究所方夢(mèng)祥等人在2003年開始對(duì)雙流化床物料循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了較為初步的實(shí)驗(yàn)研究，并于近年建立了1 MW的雙流化床氣化裝置；中國(guó)科學(xué)院的呂清剛等也對(duì)雙流化床進(jìn)行了設(shè)計(jì)及冷模實(shí)驗(yàn)，但其主要針對(duì)是煤的氣化。
東南大學(xué)的沈來(lái)宏，高揚(yáng)等人于2004年設(shè)計(jì)了1套雙流化床裝置，取名為串行流化床裝置，并在2009年對(duì)該裝置用于生物質(zhì)氣化制氫進(jìn)行了模擬及實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，燃燒反應(yīng)器內(nèi)燃燒煙氣不會(huì)串混至氣化反應(yīng)器，該氣化技術(shù)能夠穩(wěn)定連續(xù)地從氣化反應(yīng)器獲得不含氮?dú)獾母咂焚|(zhì)合成氣。
山東省科學(xué)院能源研究所的李松，范曉旭等于2009年發(fā)表關(guān)于雙流化床生物質(zhì)氣化爐試驗(yàn)研究成果，并進(jìn)行了技術(shù)推廣。
2、幾類循環(huán)流化床氣化爐的對(duì)比及討論
表1中例舉了幾例應(yīng)用循環(huán)流化床進(jìn)行的生物質(zhì)氣化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。
不同形式的流化床氣化爐各自具有其特點(diǎn)。
外循環(huán)流化床：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，循環(huán)率較大，氣化強(qiáng)度較高，是目前生物質(zhì)氣化工業(yè)應(yīng)用中最為廣泛的循環(huán)流化床類型，由于煙氣的稀釋，其產(chǎn)氣的純度較雙流化床低，燃?xì)鉄嶂翟? 000 kj/m3左右，床內(nèi)溫度通常在700℃—850℃間，因此需要外部添加一定量的輔助燃料，否則無(wú)法達(dá)到理想的產(chǎn)氣溫度。正常操作條件下不易發(fā)生結(jié)焦；產(chǎn)品氣中的焦油含量普遍高于雙流化床及內(nèi)循環(huán)流化床的產(chǎn)氣；回料系統(tǒng)控制較難，容易發(fā)生下料的困難，返料量較低時(shí)容易變成低速攜帶床，這也是雙流化床運(yùn)行中最主要的問(wèn)題。
內(nèi)循環(huán)流化床：通過(guò)非均勻布風(fēng)，其內(nèi)部流化工況中的橫向混合要強(qiáng)于其它循環(huán)床，結(jié)構(gòu)也更為簡(jiǎn)單，床內(nèi)溫度一般在600℃～800℃之間，不易結(jié)焦，產(chǎn)氣的熱值和氫氣含量稍高于外循環(huán)流化床。通過(guò)研究報(bào)道，內(nèi)循環(huán)流化床的穩(wěn)定性和產(chǎn)氣質(zhì)量均優(yōu)于外循環(huán)流化床，且不需要擔(dān)心返料裝置的控制問(wèn)題，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱門課題。
雙流化床：雙流化床結(jié)構(gòu)比另外2種循環(huán)流化床復(fù)雜。在上述3種循環(huán)流化床氣化裝置中其產(chǎn)氣純度最高、氫氣含量最高、熱值最高(通常為12Mj／M3—15 MJ／M3)。床內(nèi)溫度通常在850℃～1 100℃間，操作不當(dāng)情況下易發(fā)生結(jié)焦，產(chǎn)氣焦油量較少。由于燃燒段可為氣化段提供大量的能量，因此該系統(tǒng)需要輔助燃料的量小于外循環(huán)流化床。高溫運(yùn)行不易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。雙流化床氣化技術(shù)要求和研究成本都很高。目前雖然許多國(guó)家都進(jìn)行了工業(yè)化的試運(yùn)行和投產(chǎn)，但部分學(xué)者仍指出許多工業(yè)化的生物質(zhì)氣化廠的運(yùn)行是依靠政府的資金資助才得以維持，因此作者認(rèn)為雙流化床生物質(zhì)氣化設(shè)備的工業(yè)化不僅是科研問(wèn)題，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。這些都需要在以后的研究當(dāng)中進(jìn)一步解決。
循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟和完善，但將其應(yīng)用于生物質(zhì)氣化卻是一項(xiàng)新興的課題，循環(huán)流化床相比于固定床，鼓泡流化床等更適合于生物質(zhì)能利用的工業(yè)化。
可以看出，不同形式的循環(huán)流化床相比較，各有其優(yōu)點(diǎn)和不足。作者認(rèn)為，在今后的研究應(yīng)用中，應(yīng)繼續(xù)推廣并完善外循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)，同時(shí)積極開展對(duì)內(nèi)循環(huán)流化床及雙流化床生物質(zhì)氣化爐氣化技術(shù)的研究，使其能早日投入到規(guī)�；I(yè)生產(chǎn)中去。
我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，大力開發(fā)生物質(zhì)氣化技術(shù)，研究新型氣化裝置，對(duì)緩解我國(guó)能源緊張的局勢(shì)有重要的作用，也符合我國(guó)國(guó)情，其將成為發(fā)展較快的新型產(chǎn)業(yè)之一，因此循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化裝置的應(yīng)用具有良好的前景。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐，同時(shí)也出售生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等機(jī)械設(shè)備。
