0、前言
隨著全球能源與環(huán)境問題的日益凸顯，迫切地需要我們對生物質(zhì)能源進行開發(fā)、研究和利用。生物質(zhì)氣化技術(shù)將成為未來10至20年內(nèi)最為可行的技術(shù)之一．同時也是國際上生物質(zhì)能源研究的熱門方向。對于生物質(zhì)氣化設(shè)備來說，目前世界上應(yīng)用最廣泛的是固定床氣化爐。隨著科技的進步和技術(shù)的日趨成熟，歐美國家開始大力發(fā)展更為先進的循環(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，產(chǎn)氣熱值更高，生產(chǎn)能力和強度更大，調(diào)節(jié)范圍更廣。國內(nèi)生物質(zhì)氣化主要采用常壓固定床氣化爐，從20世紀90年代開始，中國科學院廣州能源研究所、浙江大學、中國科技大學和東南大學等單位逐步開展了對循環(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，負荷易調(diào)節(jié)，床內(nèi)無埋管。國外外循環(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Lurgi公司于1986年在奧地利Pols開發(fā)了世界上第一臺工業(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與華中科技大學于2004年合作研究了外循環(huán)流化床中的生物質(zhì)氣化過程，并得到了與實驗數(shù)據(jù)相吻合的平衡模型。
中國科學院廣州能源所從”六五”開始承擔相關(guān)國家研究課題，進行了許多循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化的研究，并于2007年來建造了5.5 MW生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范電站，山東省科學院能源研究所和中國科技大學的陳平等也分別對生物質(zhì)外循環(huán)爐的熱電技術(shù)和實驗特性進行了研究。
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。近年來在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域被逐漸采用，其主要通過非均勻布風來實現(xiàn)床內(nèi)顆粒的大尺度內(nèi)部循環(huán)，增強了物料橫向混合，延長了顆粒物料在床內(nèi)的停留時間，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程更穩(wěn)定、充分。
Freedman和Merry首先提出了用不均勻布風來實現(xiàn)床內(nèi)顆粒的大規(guī)模循環(huán)，并用液體進行了試驗。目前，國內(nèi)外學者研究的內(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床，易控制顆粒的循環(huán)速率，從而調(diào)節(jié)燃燒裝置的負荷。
意大利的拉奎拉大學的Pier Ugo Foscolo等于2006年設(shè)計了一套隔板式內(nèi)循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化冷模裝置并進行了冷態(tài)實驗，其試驗裝置如圖2，結(jié)果表明當床料量超過擋板上沿時顆粒循環(huán)開始發(fā)生，通過調(diào)節(jié)擋板的位置和氣體流速可以控制固體循環(huán)率。
中國科學院廣州能源研究所的原曉華，周肇秋，馬隆龍等從2005年開始對隔板式內(nèi)循環(huán)流化床中生物質(zhì)氣化過程進行實驗研究，分別采用稻殼和鋸末進行了熱模氣化實驗。
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)較為簡單，物料在提升管內(nèi)進行反應(yīng)后，進入放大段，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動，實現(xiàn)大部分顆粒的內(nèi)循環(huán)。
中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所于開發(fā)了內(nèi)循環(huán)錐形流化床氣化爐用來進行秸稈富氧氣化實驗。但該項研究其它后續(xù)報道較少，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)域為下降段，顆粒由提升管底部進入管內(nèi)，形成循環(huán)。目前對于提升管式內(nèi)循環(huán)流化床用于生物質(zhì)氣化方面的報道在國內(nèi)外很少見。華南理工大學的Donglai Xie，C．JimLim對內(nèi)循環(huán)流化床冷模制氫裝置內(nèi)的氣固循環(huán)流動進行了研究，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)流化床主要特點是只有1個風室，通過不同的開孔率來達到非均勻布風，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，對原料粒度要求低，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，但目前尚未有文獻報道。
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反應(yīng)器組合而成，從而將生物質(zhì)的燃燒和氣化過程相對分離開來，使熱解產(chǎn)生的可燃氣體不會被燃燒產(chǎn)生的煙氣所稀釋，因此可以得到純凈度更高的可燃氣體。
國外生物質(zhì)雙流化氣化技術(shù)主要是在20世紀才開始逐步發(fā)展起來，美國，加拿大，奧地利，新西蘭，日本等許多國家在該項技術(shù)上較為領(lǐng)先，從目前已知文獻來看，最早提出雙流化床概念的是日本的D．Kunii博士，并于1975年建立了實驗裝置并著重關(guān)注了氣化區(qū)和燃燒區(qū)的完全密封。法國南希大學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)，美國國家可再生能源實驗室應(yīng)用Battel-le雙流化床技術(shù)進行了煤一生物質(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)示范廠且運行良好。其氣化裝置如圖5所示。
1994年以來，奧地利維也納工業(yè)大學Hof-bauer等人采用雙流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)進行了一系列理論和實驗研究，并于2002年在澳大利亞建立了工業(yè)化實驗裝置，如圖6所示，同時其致力于使用水蒸氣進行生物質(zhì)氣化的研究。據(jù)作者所知，新西蘭坎特伯雷大學Shusheng Pang教授與奧地利維也納工業(yè)大學合作，對該項技術(shù)作進一步的研究和完善，其實驗室已建成1座100 kW生物質(zhì)蒸汽氣化爐試驗系統(tǒng)，并已成功運轉(zhuǎn)2年以上。根據(jù)近年來的報道，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年開始進行基礎(chǔ)性相關(guān)研究并設(shè)計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)大學提出的反應(yīng)裝置主要不同處在于床料分離循環(huán)過程。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)生的燃料顆粒的揚析，此裝置可能會提高氣化效率并降低產(chǎn)品氣中焦油的含量。
我國對雙流化床技術(shù)的研究目前還處在發(fā)展階段。浙江大學熱能工程研究所方夢祥等人在2003年開始對雙流化床物料循環(huán)系統(tǒng)進行了較為初步的實驗研究，并于近年建立了1 MW的雙流化床氣化裝置；中國科學院的呂清剛等也對雙流化床進行了設(shè)計及冷模實驗，但其主要針對是煤的氣化。
東南大學的沈來宏，高揚等人于2004年設(shè)計了1套雙流化床裝置，取名為串行流化床裝置，并在2009年對該裝置用于生物質(zhì)氣化制氫進行了模擬及實驗研究，結(jié)果表明，燃燒反應(yīng)器內(nèi)燃燒煙氣不會串混至氣化反應(yīng)器，該氣化技術(shù)能夠穩(wěn)定連續(xù)地從氣化反應(yīng)器獲得不含氮氣的高品質(zhì)合成氣。
山東省科學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)氣化爐試驗研究成果，并進行了技術(shù)推廣。
2、幾類循環(huán)流化床氣化爐的對比及討論
表1中例舉了幾例應(yīng)用循環(huán)流化床進行的生物質(zhì)氣化實驗的數(shù)據(jù)。
不同形式的流化床氣化爐各自具有其特點。
外循環(huán)流化床：結(jié)構(gòu)簡單，循環(huán)率較大，氣化強度較高，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，燃氣熱值在5 000 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，否則無法達到理想的產(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，返料量較低時容易變成低速攜帶床，這也是雙流化床運行中最主要的問題。
內(nèi)循環(huán)流化床：通過非均勻布風，其內(nèi)部流化工況中的橫向混合要強于其它循環(huán)床，結(jié)構(gòu)也更為簡單，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。通過研究報道，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，且不需要擔心返料裝置的控制問題，是目前國內(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。高溫運行不易達到穩(wěn)定狀態(tài)。雙流化床氣化技術(shù)要求和研究成本都很高。目前雖然許多國家都進行了工業(yè)化的試運行和投產(chǎn)，但部分學者仍指出許多工業(yè)化的生物質(zhì)氣化廠的運行是依靠政府的資金資助才得以維持，因此作者認為雙流化床生物質(zhì)氣化設(shè)備的工業(yè)化不僅是科研問題，同時也是經(jīng)濟問題。這些都需要在以后的研究當中進一步解決。
循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)經(jīng)過一個多世紀以來的發(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)點和不足。作者認為，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)，同時積極開展對內(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)模化工業(yè)生產(chǎn)中去。
我國是一個農(nóng)業(yè)大國，大力開發(fā)生物質(zhì)氣化技術(shù)，研究新型氣化裝置，對緩解我國能源緊張的局勢有重要的作用，也符合我國國情，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，同時也出售生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的顆粒機、秸稈壓塊機、飼料顆粒機等機械設(shè)備。
