生物質氣化原理及設備淺析
2021-11-29
摘要：生物質作為一種可再生的潔凈能源，其氣化技術得到大力發(fā)展。本文對生物質氣化的基本原理及氣化工藝類型進行了簡要介紹，同時闡述了主要氣化爐類型的工作原理及優(yōu)缺點，如固定床原料適應性廣，但難以大型化，流化床氣化效率高但結構復雜；并對氣化爐的特性進行淺析，對生物質氣化工程的設計及運行具有指導意義。
引言
隨著全球的能源危機及生態(tài)環(huán)境的破壞日趨嚴重，生物質作為一種可再生的潔凈能源，僅次于石油、煤炭、天然氣的第四大資源，引起人們的高度重視。生物質氣化技術不僅可以供氣和發(fā)電，而且還可以用于合成甲醇和氨，具有充分的技術靈活性，較好的潔凈性，較高的經(jīng)濟性，且效率高，全球各國都在積極推進生物質氣化技術的研究。
1生物質氣化原理
生物質氣化是一個較多復雜的反應的集合，從宏觀來說，都可分為干燥、熱解、氧化（燃燒）和還原四個反應階段。
干燥是個簡單的物理過程，主要發(fā)生在100~150℃之間，整個過程需要吸收大量的熱。當溫度達到15℃以上，生物質開始發(fā)生熱解，析出揮發(fā)分，留下木炭，構成進一步反應的床層。生物質熱解的氣體產(chǎn)物有CO、CO2、CH4、H2等，會與氧氣發(fā)生氧化反應（燃燒），發(fā)出大量的熱，為干燥、熱解和還原反應提供足夠熱量，維持整個氣化過程的持續(xù)性。氧化反應（燃燒）產(chǎn)生的水蒸氣和CO2等會與碳反應生成H2和CO，從而完成固體燃料向氣體燃料的轉變，此過程為還原反應（吸熱反應），溫度越高，反應越激烈，當溫度低于800℃后反應基本處于停滯狀態(tài)。
2固定床氣化爐
固定床氣化爐中，生物質燃料經(jīng)歷干燥、熱解、氧化（燃燒）和還原后轉化成可燃氣體。根據(jù)氣化劑供給位置和流過燃料層的順序，有上吸式、下吸式、橫吸式和開心式，主要使用前兩種氣化爐。
2.1上吸式氣化爐
上吸式氣化爐反應層由上到下依次為干燥層、熱解層、還原層和氧化層。生物質從頂部加入氣化爐中，首先被燃氣加熱干燥，然后受熱發(fā)生熱解，析出大量揮發(fā)分，固體炭依次進人下方的還原層和氧化層。氣化劑則是從下部供給，首先與固體炭進行氧化反應，放出熱量使氣流和床層溫度迅速升高，氣流中全是燃燒產(chǎn)物。進人還原層后，燃燒產(chǎn)物與炭發(fā)生還原反應，吸熱使得溫度降低，當溫度降低到800℃以下，反應速率變得緩慢以至停止。氣流繼續(xù)上行，為燃料熱解和干燥提供熱量。
2.2下吸式氣化爐
下吸式氣化爐反應層由上到下依次為干燥層、熱解層、氧化層和還原層。根據(jù)氣化劑供給的位置不同，有兩種形式的下吸式氣化爐：一是帶有中間縮口段的下吸式氣化爐，氣化劑由中部的縮口段偏上供入；二是無中間縮口段的下吸式氣化爐，氣化劑由上部供入。下吸式氣化爐的工作原理與上吸式基本相同，只是燃料干燥和熱解所需的熱量來自下部的氧化層。
3流化床氣化爐
流化床與固定床的主要氣化反應機理基本一樣，但其沒有明顯固定的床層，目前，流化床主要有鼓泡流化床、循環(huán)流化床、雙流化床三種形式。
3.1鼓泡流化床氣化爐（BFB）
鼓泡流化床中，當氣速超過臨界流化氣速后，固體開始流化，床層出現(xiàn)氣泡，并明顯地出現(xiàn)粒子聚集的密相區(qū)和氣泡為主的稀相區(qū)。
爐體比較粗胖，下部是有明顯床層的密相區(qū)，氣化反應主要發(fā)生在密相區(qū)，為了防止細顆粒燃料被氣流帶出密相區(qū)，爐膛上部設計有擴張段，降低氣速，也延長了燃料在稀相區(qū)的反應時間。
3.2循環(huán)流化床氣化爐（CFB）
CFB氣化爐爐體細長，爐膛上部出口安裝了旋風分離器，將高溫固體顆粒分離收集并送回爐膛。
CFB床層充滿整個容器空間，不存在密相區(qū)和稀相區(qū)，維持床層顆粒濃度的必要條件是很高的固體顆粒循環(huán)量，一旦循環(huán)不佳，床中全部顆粒可能被吹空。由于生物質燃料的流化特性不好，CFB氣化爐基本上都使用砂子作為輔助流化介質。
CFB氣化爐有兩個特征：氣流速率較高，一般在4~7m/s之間，床層工作在快速流化區(qū)；固定顆粒的高循環(huán)倍率在10~20之間。
3.3雙流化床氣化爐（DFB）
雙流化床氣化爐采用兩個流化床爐膛，一個是氣化爐，另一個是燃燒爐。生物質燃料加人以熱砂子為床料的氣化爐，從砂子吸收量，進行熱解反應，氣體產(chǎn)物攜帶殘?zhí)亢蜕白釉诜蛛x器中分離。分離后的殘?zhí)亢蜕白釉谌紵隣t中與空氣發(fā)生燃燒，將砂子加熱，煙氣攜帶熱砂子再經(jīng)分離器分離后，熱砂子返回氣化爐。DFB氣化爐的突出特點是，利用流化床的強大輸運能力使燃料顆粒在兩個流化床爐膛中傳輸。
4各種型式的氣化爐特點
固定床氣化爐結構簡單，原料適應性廣，顆粒度能達到100mm，對結渣性敏感度低，燃氣飛灰含量低，但只適用于小規(guī)模的氣化操作，難以大型化。
流化床氣化爐氣化效率高，熱值高，但結構較復雜，對燃料的顆粒度、均勻性、含水量、自然堆積角有一定要求，對結渣性敏感，且燃氣飛灰含量多，需要配套除塵凈化系統(tǒng)。目前，大規(guī)模的生物質氣化工程逐漸采用加壓的流化床氣化爐技術。
5結語
目前，全球的碳排放要求越來越嚴格，具有“碳零排放”特點的生物質的重要性日趨明顯。本文簡單介紹了生物質的氣化原理并對不同型式的氣化爐進行對比、淺析，可見固定床與流化床各有所長，但流化床更適合大型化，是未來發(fā)展的方向，借此給生物質氣化工程的設計、運行帶來點滴的指導意義。
