国内外生物质气化设备研究进展

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2012年第31卷第8期·1656·化工进展国内外生物质气化设备研究进展王艳1，2，陈文义1，2，孙姣1，2，石海波1，2，陈晓东3（1河北工业大学过程装备与控制工程系，天津，300130；2河北工业大学工程流动与过程强化研究中心，天津300130；3大港油田集团油田化学有限责任公司，天津300280）摘要：生物质是重要的可再生能源，生物质气化技术在国内外得到了广泛应用。本文综述了国内外固定床、鼓泡流化床、外循环流化床、内循环流化床、双循环流化床的结构。固定床安装简单，但焦油较多；外循环流化床燃烧效率高，但回料装置较难控制；内循环流化床不易结焦、氢含量高且不用考虑返料问题；双流化床结构复杂但焦油量少。将对固定床和流化床进行对比，认为固定床安装简单适合农村地区，流化床应不断改进和完善，更适应工业化生产。关键词：生物质气化；气化炉；固定床；流化床中图分类号：TK6文献标志码：A文章编号：1000–6613（2012）08–1656–09ResearchprogressinbiomassgasificationequipmentWANGYan1，2，CHENWenyi1，2，SUNJiao1，2，SHIHaibo1，2，CHENXiaodong3（1ChemicalProcessDepartment，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300130，China；2ProjectFlowandProcessIntensificationResearchCenter，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300130，China；3DagangOilfieldGroupOilfieldChemicalCo.，Ltd，Tianjin300280，China）Abstract：Biomassisaveryimportantrenewableenergy．Biomassgasificationtechnologyhasbeenwidelyappliedovertheworld．Thispaperreviewsthestructureoffixedbed，bubblingfluidizedbed，circulatingfluidizedbed，internalcirculatingfluidizedbed，dualcirculatingfluidizedbedappliedinbiomassgasification．Fixedbediseasytoinstall，butwithmoretargeneratedinoperation．Theefficiencyofcirculatingfluidizedbedcombustionishigh，butitsfeedbackunitisdifficulttocontrol．Theinternalcirculatingfluidizedbedcanprovidehighhydrogencontentwithlesscoking，andnospecialconsiderationneededonfeedbackflow．Dualfluidizedbedstructureiscomplicate，butwithlesstar．Comparingfixedbedsandfluidized-beds，itcanbeconcludedthattheinstallationoffixedbedsaresimpleanditissuitableforruralareas，andthatfluidizedbedshouldbeconstantlyimproved，moresuitableforindustrialproduction.Keywords：biomassgasification；gasifier；fixedbed；fluidizedbed随着工业和经济的不断发展，人类对能源的需求越来越多，严峻的能源问题已成为人们日益关注的焦点。随着化石燃料、煤、石油、天然气等不可再生资源的日益减少，生物能源被人类视为赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消耗总量第4位的能源[1]，在整个能源系统中占有重要地位。所谓生物能源是指利用可再生或循环的有机物质，包括油料植物、农作物、树木和其它植物及其进展与述评收稿日期：2012-03-01；修改稿日期：2012-03-08。基金项目：河北省科技支撑项目（11230909D-5）。第一作者：王艳（1987—），女，硕士研究生。联系人：陈文义，教授，研究方向为工程中流体力学问题、可再生资源。[e-mail]。第8期王艳等：国内外生物质气化设备研究进展·1657·残体、畜禽粪便、有机废弃物为原料，通过加工转化生产的一种可再生的清洁能源。主要形式有生物柴油和燃料乙醇、生物质气化及液化燃料、生物制氢等[2]。其中生物质气化技术已被国内外许多学者研究和开发。在我国生物质气化技术主要用于供气和发电，集中供气系统已在我国许多省份得到了推广应用，如北京郊区、内蒙古、云南等地得到了广泛应用，其效果较好。在农民居住比较集中的村落，建造一个生物质气化站，就可以解决整个村屯居民的炊事和取暖所用的气体燃料。我国生物质气化发电所用燃料以稻壳为主，早在20世纪60年代，我国就开始了生物质气化发电的研究，研制出了样机并进行了初步推广。在发达国家生物质气化及发电技术已受到广泛重视，如奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国等国家生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划，生物质能在总能耗中的比例由原来大约2%～3%增到目前的25%[3]。瑞典和丹麦正在实施利用生物质进行热电联产的计划，使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求，以大大提高其转换效率。菲律宾、马来西亚以及非洲的一些国家，都先后开展了生物质能的气化、成型固化、热解等技术的研究开发，并形成了工业化生产。除了将生物质气化用于发电之外，欧共体进而开展了生物质气化合成甲醇、氨的研究工作。目前在生物质气化技术的研究和开发中最关键是增加可燃气中H2和CO的浓度、燃气净化、减少二次污染以及提高转化率。其中气化反应器是气化技术的关键。根据可燃气与物料相对流动的速度和方向不同，气化反应器主要分为固定床、流化床等几种形式，此外还有其它新型式的反应器。1固定床固定床又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm，堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。其特点在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。按照气化介质的流动方向不同固定床又可分为上吸式、下吸式、横吸式和开心式。1.1上吸式气化炉上吸式气化炉是物料从顶部加入，气化剂由炉底部进入气化炉，产出的燃气经过气化炉的几个反应区，自下而上从气化炉上部排除，其工作原理如图1(a)。由于上吸式固定床结构简单，且运行稳定等特点，中国科学院在1985年对上吸式气化炉进行改进，改进的小型气化炉就像普通的煤炉一样，材料可以因地制宜，在农村推广使用，在之后又研究了其气固流动特性及气化过程。（a）上吸式气化炉原理图（b）华中科技大学提出的户用型上吸式生物质气化炉图1上吸式气化炉化工进展2012年第31卷·1658·华中科技大学的李斌、陈汉平等对户用型上吸式生物质气化炉进行研究，户用型气化炉在国内外得到了广泛应用，大部分生成的可燃气体供炊事和取暖等使用，但仍然存在问题，需要加以改善。此外，他们自制了一个上吸式气化炉，装置如图1(b)所示，以木屑为原料研究了其结渣特性，结果说明其结渣主要发生在底部氧化区[4-5]，接着又对此装置进行了优化设计，实验证明入炉空气量是上吸式气化炉运行的关键参数[6]。中国大连科技大学用下吸式气化炉连接了一个多孔陶瓷转换炉，实验对气化炉温度、当量比、蒸汽和生物质的比值及多孔陶瓷转换气体的参数进行了研究[7]。印度的马杜赖卡马拉大学使上吸式气化炉利用较长木质作为原料，对顶部点火和底部点火分别做（a）印度的马杜赖卡马拉大学提出的上吸式气化炉（b）奥地利维也纳大学建立的小型上吸式气化炉图2两种国外的上吸式气化炉了实验，其装置如图2(a)所示[8-9]，结果表明：顶部点火时，在燃烧区域可以减少焦油，提高效率，适合农村地方应用；底部点火时，较长的木质生物质作为原料要有较高的入口速度才能使其更好的燃烧产气。奥地利维也纳工业大学以软木球为原料，对小型的上吸式气化炉做了研究，其主要特点是：均匀，可以多相燃烧和气化反应，可较全面地燃烧和干燥等，装置如图2(b)所示[10]。1.2下吸式气化炉下吸式气化炉是物料从顶部加入，作为气化剂的空气也由顶部加入，物料依靠重力形成自由下落。经过干燥区使水分蒸发，在进行裂解反应，氧化还原反应等，其工作原理图如图3(a)。华南理工大学骆伟峰等研究了用木薯作为原料利用自行设计的下吸式固定床对其进行试验研究，装置如图3(b)所示，结果表明，下吸式气化炉适用于木薯秆的气化，且操作简便，运行稳定[11]。中国科学院吕鹏梅等[12]进行了生物质下吸式气化炉制氢的特性研究，采用富氧/水蒸气和空气两种气体介质，其装置如图4(a)所示。实验结果表明，富氧/水蒸气气化可显著提高氢产率和产气热值，同时证实了生物质下吸式气化炉富氧/水蒸气气化制取氢源的可行性。此后，中国科学院的苏德仁、黄艳琴等[13]又设计了两段式固定床，其特点是在下吸式气化炉内把热解反应和气化反应分开，与传统的下吸式气化炉相比提高了气化温度、氢气含量、碳转化率和气化效率，降低焦油含量。马来西亚科技大学在21世纪初就搭建了一个内部结构为锥形的下吸式固定床，其结构如图4(b)所示，选用家具木材和木屑为原料，研究了气体组分（a）下吸式气化炉原理图（b）华南理工大学设计的下吸式气化炉图3常见的下吸式气化炉第8期王艳等：国内外生物质气化设备研究进展·1659·（a）中国科学院提出的下吸式气化炉（b）马来西亚科技大学设计的下吸式气化炉图4两种下吸式气化炉物质的量比对热值和产气速率的影响，结果表明：在物质的量比为0.38时，下吸式气化炉为最佳状态[14]。印度的贝拉理工和科学学院的Pratik等[15]选用安贝尔下吸式气化炉对废木进行实验研究，装置如图5所示，其装置特点气化炉直径不一致有个窄口的还原区，说明了物质的量比对产气成分、热值、冷却气体速率的影响，物质的量比在0.205为最佳效果。科技大学的Kramreiter等[16]对75kW下吸式生物质气化炉做试验研究，得到了温度场、气体成分、热值、压降的分布情况。1.3横吸式气化炉横吸式气化炉类似于上吸式气化炉都是物料从顶部加料口加入，不同的是气化剂由炉子的一侧进入，产生的可燃气由炉子的另一侧出来，此类炉子所用的原料多为木炭，反应温度很高，在南美洲得图5印度贝拉理工大学提出图的下吸式气化炉到了广泛应用。1.4开心式气化炉开心式气化炉类似于下吸式气化炉，不同的是它在炉栅中间向上隆起，这类炉子主要以稻壳为原料，反应产生的飞灰较多，在炉栅中间隆起的部分形成绕中心垂直轴做水平的回转运动，用于防止炉栅堵塞，保证气化的连续进行。奥地利维也纳工业大学搭建了与上述4种都不同的固定床，其特点是：在炉体一侧的中间和下面位置同时进气，其原理图如图6所示[17]。图6奥地利维也纳工业大学提出固定床2流化床2.1鼓泡流化床当气速超过临界流化气速后，固体开始流化，床层出现气泡，并明显地出现两个区，即粒子聚集的浓相区和气泡为主的稀相区，此时的床层称为鼓泡流化床。华北电力大学陈宏伟、姜华伟等[18]用鼓泡流化床研究了风帽压力波动特性，表明风帽的波动特性能很好地反映床内