下吸式生物质固定床气化炉研究进展

第３７卷　第５期２０１３年９月南京林业大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．５Ｓｅｐｔ．，２０１３　收稿日期：２０１２－０７－２０　　　　修回日期：２０１２－１２－１３　基金项目：２０１２年普通高校研究生科研创新计划项目（ＣＸＬＸ１２－０５３４）；２０１２年度南京林业大学优秀博士学位论文创新基金项目；国家重点基础研究发展计划项目（２０１０ＣＢ７３２２０５）；“十二五”国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＤ３０ＢＯＯ）；“十二五”农村领域国家科技计划项目（２０１１ＢＡＤ１５Ｂ０５－０４）　第一作者：马中青，博士生。∗通信作者：张齐生，教授，中国工程院院士。Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]。　引文格式：马中青，张齐生，周建斌，等．下吸式生物质固定床气化炉研究进展［Ｊ］．南京林业大学学报：自然科学版，２０１３，３７（５）：１３９－１４５．下吸式生物质固定床气化炉研究进展马中青，张齐生∗，周建斌，章一蒙（南京林业大学竹材工程研究中心，江苏　南京　２１００３７）摘要：随着全球能源需求的不断增加和化石能源的日趋枯竭，生物质固定床气化技术作为一种清洁的可再生能源利用技术，引起许多研究者的关注。与上吸式固定床气化炉相比，下吸式具有可燃气焦油含量低、炭转化率高、可燃气热值高、可燃气产品用途广的优点。笔者详细介绍了下吸式生物质固定床气化炉的原理、分类、单段下吸式固定床以及两段下吸式固定床的研究现状，并且在综述的基础上，对下吸式固定床气化炉的应用研究提出了展望。关键词：生物质气化；下吸式固定床气化炉；可再生能源利用中图分类号：Ｘ７４　　　　　　　　文献标志码：Ａ文章编号：１０００－２００６（２０１３）０５－０１３９－０７Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｄｏｗｎｄｒａｆｔｂｉｏｍａｓｓｆｉｘｅｄ⁃ｂｅｄｇａｓｉｆｉｅｒＭＡＺｈｏｎｇｑｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＱｉｓｈｅｎｇ∗，ＺＨＯＵＪｉａｎｂｉｎ，ＺＨＡＮＧＹｉｍｅｎｇ（ＢａｍｂｏｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，ＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００３７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅｔｏｔｈｅｗｏｒｌｄｗｉｄｅｄｅｍａｎｄｏｆｐｒｉｍａｒｙｅｎｅｒｇｙａｎｄｆｏｓｓｉｌｆｕｅｌｓｄｅｐｌｅｔｉｏｎ，ｂｉｏｍａｓｓｆｉｘｅｄ⁃ｂｅｄｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｓｔｈｅｃｌｅａｎａｎｄｒｅｎｅｗａｂｌｅｂｉｏｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｔｔｒａｃｔｓａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｎｕｍｂｅｒｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｕｐｄｒａｆｔｆｉｘｅｄ⁃ｂｅｄｇａｓｉｆｉｅｒ，ｄｏｗｎｄｒａｆｔｆｉｘｅｄ⁃ｂｅｄｇａｓｉｆｉｅｒｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｌｏｗｅｒｔａｒｃｏｎｔｅｎｔ，ｈｉｇｈｅｒｃａｒｂｏｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｒａｔｅ，ｈｉｇｈｅｒｃａｌｏｒｉｆｉｃｖａｌｕｅａｎｄｗｉｄｅｒｒａｎｇｅｏｆｕｓａｇｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｂｉｏｍａｓｓｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｄｏｗｎｄｒａｆｔｆｉｘｅｄ⁃ｂｅｄｇａｓｉｆｉｅｒｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅ⁃ｓｔａｇｅａｎｄｔｈｅｔｗｏ⁃ｓｔａｇｅｄｏｗｎｄｒａｆｔｆｉｘｅｄ⁃ｂｅｄｇａｓｉｆｉｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍａｓｓｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｄｏｗｎｄｒａｆｔｆｉｘｅｄ⁃ｂｅｄｇａｓｉｆｉｅｒ；ｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ　　生物质气化是以生物质为原料，以氧气（空气、富氧性气体或纯氧等）、水蒸气或氢气等气体为气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃烧的物质转化成可燃烧气体的过程。气化技术与直燃技术最根本的区别在于气化过程中需要限量供应上述几种氧（气）化剂。生物质气化产生可燃气的主要可燃成分为ＣＯ，Ｈ２，ＣＨ４，还有极少量的ＣｎＨｍ（ｎ＞１）。气化除了产生可燃气外，还会产生一定量的副产物，如焦炭、焦油等。它可将低品位的固体生物质转化成高品位的可燃气体，从而可广泛应用于工农业生产的各个领域，如合成甲醇、集中供气、供热、发电等［１－６］。生物质固定床气化炉主要分为上吸式和下吸式气化炉。下吸式固定床气化炉是在上吸式的基础上开发出来的，目的是为了克服上吸式可燃气中焦油含量高的缺点，主要用于小规模的气化发电［４］。下吸式气化炉可燃气的流向与生物质的进料方向相同，通常设置高温氧化区，气化剂从炉排上一定高度位置通入气化炉，可燃气从炉排下部被析出。下吸式气化炉的这种结构使可燃气必须通过高温氧化区，利于焦油进一步裂解，燃气中焦油含量（５０～５００ｍｇ／ｍ３）［７］比上吸式（１０～１００ｇ／ｍ３）［８］显著减少。该类气化炉适合于气化较干燥的块状物料（含水率＜２５％）［９］；装置的结构简单、投资少、运行方便可靠［１］；特别适用于拥有丰富生物质原料且电力紧缺的边远农村地区和工农业加工厂的小规模发南京林业大学学报（自然科学版）第３７卷电（单台气化炉产能≤１ＭＷｅ）［１０－１１］。１　下吸式固定床气化原理及分类下吸式固定床气化过程从上至下主要分为４个反应区：干燥区、热解区、氧化区和还原区。（１）干燥区：生物质中的自由水和结合水蒸发，含水率由５％～３５％降至５％以下，干燥区的温度为３０～２００℃。（２）热解区：生物质在缺氧的条件下裂解产生大量不可冷凝的可燃气（ＣＯ、Ｈ２、ＣＨ４等）和可冷凝的焦油，温度范围为２００～６００℃。（３）氧化区：气化剂在这个部位送入气化炉，生物质炭与供给的氧气燃烧产生ＣＯ２，部分裂解产生的Ｈ２也会与氧气反应生成水，这两个氧化反应会产生大量的热量，若氧气的供应量不足以使炭完全转化为ＣＯ２，那么炭也会因部分氧化产生ＣＯ，温度为８００～１２００℃。由于焦油随着可燃气往下移动，必须经过高温氧化区，因此焦油会发生二次裂解。（４）还原区：在８００～１０００℃以及缺氧的环境下，会发生多个吸热的还原反应，增加可燃气中ＣＯ、Ｈ２、ＣＨ４的含量，提高产气热值［１，３，１２－１３］。整个气化过程主要反应见表１。表１　下吸式固定床气化反应区及其主要反应Ｔａｂｌｅ１　Ｖａｒｉｏｕｓｚｏｎｅｓａｎｄｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｒｅａｃｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｄｏｗｎｄｒａｆｔｇａｓｉｆｉｅｒｓ反应区ｒｅａｃｔｉｏｎｚｏｎｅ温度范围／℃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅ物理化学反应ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎｓ△Ｈ／（ｋＪ·ｍｏｌ－１）参考文献ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ干燥区３０～２００物料中自由水和结合水的蒸发［１］热解区２００～６００生物质→炭＋焦油＋可燃气（ＣＯ、Ｈ２、ＣＨ４、ＣｎＨｍ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）［１２］２Ｃ＋Ｏ２→２ＣＯ＋１１１［３］Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２＋３９４［３］氧化区８００～１２００２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋２４２［３］２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２＋２８４［３］ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋８０３［３］Ｃ＋Ｈ２Ｏ􀜩􀜨ＣＯ＋Ｈ２－１３１［３］ＣＯ＋Ｈ２Ｏ􀜩􀜨ＣＯ２＋Ｈ２－４１．２［３］还原区８００～１０００Ｃ＋ＣＯ２􀜩􀜨２ＣＯ－１７２［３］ＣＯ２＋Ｈ２􀜩􀜨ＣＯ＋Ｈ２Ｏ－４２［３］Ｃ＋２Ｈ２􀜩􀜨ＣＨ４＋７４．８［３］　　由于内燃机（ＩＣＥ）对可燃气中焦油含量（＜５０ｍｇ／Ｎｍ３）［４］要求较高，因此要降低可燃气中焦油的含量，一种方法是通过气化炉下游的气体净化系统来实现，但是最根本的方法是通过改变气化炉内部的结构尽量降低粗燃气中焦油含量［１４－１５］。下吸式气化炉因其内部的结构优势，所产可燃气中焦油含量较低，因此，研究人员开发出了多种形式的下吸式固定床气化炉。在此将只有单个反应器（气化炉）或只有一步进气的固定床气化炉称为单段式气化炉，将有两个反应器或者两步进气的固定床气化炉称为两段式气化炉。因此，下吸式气化炉根据反应器的个数和进气次数分为单段式和两段式气化炉。单段式根据有无喉区可分为直筒（ｓｔｒａｉｔｉ⁃ｆｉｅｄ）式和喉式（ｉｍｂｅｒｔ）气化炉；两段式可分为Ｖｉ⁃ｋｉｎｇ气化炉和两步进气气化炉；直筒式中根据顶部开／闭口形式可分为开心式气化炉和闭口式气化炉。２　单段下吸式气化炉２．１　单段下吸式气化炉结构单段下吸式气化炉主要分为带有喉区的喉式（Ｉｍｂｅｒｔ）气化炉（图１ｃ）和不带喉区的直筒式（Ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ）气化炉（图１ｂ）。喉式下吸式气化炉在中部偏下位置有一个逐渐变窄的喉区或者“Ｖ”形区域，将会形成一个高温喉区（８００～１２００℃）［１２］，气化剂从喉区中部偏上位置喷入，有助于可燃气中焦油的进一步裂解，产生的可燃气中焦油含量较低。因此Ｉｍｂｅｒｔ气化炉是下吸式气化炉中研究最多、应用最广泛的。用于Ｉｍｂｅｒｔ气化炉的生物质原料必须进行烘干、切碎、筛选等预处理，使其含水率小于２０％，原料的种类一般为阔叶材切碎的木片，而且木片的形态必须为大小一致的块状（长、宽≥２ｃｍ），否则气化后的炭将很难顺利通过喉区，造成架桥和烧穿现象，影响气化效果。Ｉｍｂｅｒｔ气化炉的启动时间介于横吸式气化炉（最快）和上吸式气化炉（最慢）之间［４］。为了改善Ｉｍｂｅｒｔ气化炉对原料尺寸和形态要求比较严苛的缺点，一些研究人员开发了直筒式气化炉。直筒式气化炉的圆柱形结构使其制造更加简便，降低了架桥和烧穿现象的发生，便于产能的扩大设计；另外更易于测量炉内各个床层的温度和成分，制成床层的数学模型，对生物质气化工艺参数进行优化设计。直筒式气化炉中的开心式气化炉（图１ａ），空气在顶部被吸入，均匀的通过气化炉，不仅可以提高炉内热化学反应的效率，而且可防止床层局部过热（飞温）［５］。２．２　单段下吸式气化炉性能影响因素单段式下吸式气化炉性能主要根据可燃气的成分、热值和产量，可燃气中焦油含量，气化炉的产能、碳转化率和冷气效率等方面来判断，其性能主要受当量比（ＥＲ）、表观速度（ＳＶ）、物料特性（化学组成、含水率、形态（粒径））、气化剂种类等因素的影响。０４１　第５期马中青，等：下吸式生物质固定床气化炉研究进展图１　单段下吸式固定床气化炉结构Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅ⁃ｓｔａｇｅｄｄｏｗｎｄｒａｆｔｆｉｘｅｄ⁃ｂｅｄｇａｓｉｆｉｅｒｓ２．２．１　当量比（ＥＲ）当量比是指气化过程中单位质量物料实际燃烧消耗的空气量与其完全燃烧所需的空气量比值。而起初是按照Ａ／Ｆ（空气体积和原料质量比值）来表示进气量和物料之间的关系［１６］。１ｋｇ生物质完全燃烧大概需消耗５．２２Ｎｍ３的空气［１７］，因此可根据所选ＥＲ值算出气化过程所需的进气量。固定床气化过程中，当量比一般控制在０．２～０．５之间。ＥＲ是气化过程中最重要的参数之一，不仅影响可燃气的成分和热值，而且影响氧化区的温度和可燃气中焦油含量。　　随着当量比的不断提高，气化炉供给的空气量增加，气化炉的喉区或氧化区燃烧更剧烈，使得氧化区的温度短时间内急剧上升，从而通过传质和传热作用带动干燥区、热解区和还原区温度的升高；然而随着当量比的增加，带入Ｎ２的量也越多，Ｎ２作为一种热载体，跟随可燃气被抽出后，也将带走越来越多的热量，使得喉区或氧化区的温度逐渐下降［９，１８］。表２列出了多种生物质在最优当量比时氧化区的温度（８００～１４６０℃），而要使焦油进一步裂解所需的温度至少为８５０℃［４］，因此选择合适的当量比还能降低粗燃气中焦油的含量。表２　生物质下吸式气化炉参数及工艺结果Ｔａｂｌｅ２　Ｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｂｉｏｍａｓｓｄｏｗｎｄｒａｆｔｇａｓｉｆｉｅｒｓ生物质ｂｉｏｍａｓｓ气化炉参数ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｇａｓｉｆｉｅｒ实验最优工艺和结果（气化剂都为空气）ｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｒｅｓｕｌｔｓ（ａｉｒａｇｅｎｔ）产能ｃａ