下吸式生物質(zhì)固定床氣化爐研究進展

1、第卷第期年月南京林業(yè)大學學報（自然科學版）（），收稿日期：修回日期：基金項目：年普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目（）；年度南京林業(yè)大學優(yōu)秀博士學位論文創(chuàng)新基金項目；國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（）； 十二五 國家科技支撐計劃項目（）； 十二五 農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃項目（）第一作者：馬中青，博士生通信作者：張齊生，教授，中國工程院院士：引文格式：馬中青，張齊生，周建斌，等下吸式生物質(zhì)固定床氣化爐研究進展南京林業(yè)大學學報：自然科學版，（）：下吸式生物質(zhì)固定床氣化爐研究進展馬中青，張齊生，周建斌，章一蒙（南京林業(yè)大學竹材工程研究中心，江蘇南京）摘要：隨著全球能源需求的不斷增加和化石能源的日趨枯竭，生物

2、質(zhì)固定床氣化技術(shù)作為一種清潔的可再生能源利用技術(shù)，引起許多研究者的關(guān)注與上吸式固定床氣化爐相比，下吸式具有可燃氣焦油含量低炭轉(zhuǎn)化率高可燃氣熱值高可燃氣產(chǎn)品用途廣的優(yōu)點筆者詳細介紹了下吸式生物質(zhì)固定床氣化爐的原理分類單段下吸式固定床以及兩段下吸式固定床的研究現(xiàn)狀，并且在綜述的基礎上，對下吸式固定床氣化爐的應用研究提出了展望關(guān)鍵詞：生物質(zhì)氣化；下吸式固定床氣化爐；可再生能源利用中圖分類號：文獻標志碼：文章編號：（），（，）：，：；生物質(zhì)氣化是以生物質(zhì)為原料，以氧氣（空氣富氧性氣體或純氧等）水蒸氣或氫氣等氣體為氣化劑，在高溫條件下通過熱化學反應將生物質(zhì)中可燃燒的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可燃燒氣體的過程氣化技術(shù)與直

3、燃技術(shù)最根本的區(qū)別在于氣化過程中需要限量供應上述幾種氧（氣）化劑生物質(zhì)氣化產(chǎn)生可燃氣的主要可燃成分為，還有極少量的（）氣化除了產(chǎn)生可燃氣外，還會產(chǎn)生一定量的副產(chǎn)物，如焦炭焦油等它可將低品位的固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成高品位的可燃氣體，從而可廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，如合成甲醇集中供氣供熱發(fā)電等生物質(zhì)固定床氣化爐主要分為上吸式和下吸式氣化爐下吸式固定床氣化爐是在上吸式的基礎上開發(fā)出來的，目的是為了克服上吸式可燃氣中焦油含量高的缺點，主要用于小規(guī)模的氣化發(fā)電下吸式氣化爐可燃氣的流向與生物質(zhì)的進料方向相同，通常設置高溫氧化區(qū)，氣化劑從爐排上一定高度位置通入氣化爐，可燃氣從爐排下部被析出下吸式氣化爐的這種

4、結(jié)構(gòu)使可燃氣必須通過高溫氧化區(qū)，利于焦油進一步裂解，燃氣中焦油含量（ ）比上吸式（ ）顯著減少該類氣化爐適合于氣化較干燥的塊狀物料（含水率）；裝置的結(jié)構(gòu)簡單投資少運行方便可靠；特別適用于擁有豐富生物質(zhì)原料且電力緊缺的邊遠農(nóng)村地區(qū)和工農(nóng)業(yè)加工廠的小規(guī)模發(fā)南京林業(yè)大學學報（自然科學版）第卷電（單臺氣化爐產(chǎn)能）下吸式固定床氣化原理及分類下吸式固定床氣化過程從上至下主要分為個反應區(qū)：干燥區(qū)熱解區(qū)氧化區(qū)和還原區(qū)（）干燥區(qū)：生物質(zhì)中的自由水和結(jié)合水蒸發(fā)，含水率由 降至以下，干燥區(qū)的溫度為 （）熱解區(qū)：生物質(zhì)在缺氧的條件下裂解產(chǎn)生大量不可冷凝的可燃氣（等）和可冷凝的焦油，溫度范圍為 （）氧化區(qū)：氣化劑在這個

5、部位送入氣化爐，生物質(zhì)炭與供給的氧氣燃燒產(chǎn)生，部分裂解產(chǎn)生的也會與氧氣反應生成水，這兩個氧化反應會產(chǎn)生大量的熱量，若氧氣的供應量不足以使炭完全轉(zhuǎn)化為，那么炭也會因部分氧化產(chǎn)生，溫度為 由于焦油隨著可燃氣往下移動，必須經(jīng)過高溫氧化區(qū)，因此焦油會發(fā)生二次裂解（）還原區(qū)：在 以及缺氧的環(huán)境下，會發(fā)生多個吸熱的還原反應，增加可燃氣中的含量，提高產(chǎn)氣熱值，整個氣化過程主要反應見表表下吸式固定床氣化反應區(qū)及其主要反應反應區(qū)溫度范圍物理化學反應H（）參考文獻干燥區(qū) 物料中自由水和結(jié)合水的蒸發(fā)熱解區(qū) 生物質(zhì)炭焦油可燃氣（）氧化區(qū) 還原區(qū) 由于內(nèi)燃機（）對可燃氣中焦油含量（）要求較高，因此要降低可燃氣中焦油的含

6、量，一種方法是通過氣化爐下游的氣體凈化系統(tǒng)來實現(xiàn)，但是最根本的方法是通過改變氣化爐內(nèi)部的結(jié)構(gòu)盡量降低粗燃氣中焦油含量下吸式氣化爐因其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，所產(chǎn)可燃氣中焦油含量較低，因此，研究人員開發(fā)出了多種形式的下吸式固定床氣化爐在此將只有單個反應器（氣化爐）或只有一步進氣的固定床氣化爐稱為單段式氣化爐，將有兩個反應器或者兩步進氣的固定床氣化爐稱為兩段式氣化爐因此，下吸式氣化爐根據(jù)反應器的個數(shù)和進氣次數(shù)分為單段式和兩段式氣化爐單段式根據(jù)有無喉區(qū)可分為直筒（）式和喉式（）氣化爐；兩段式可分為氣化爐和兩步進氣氣化爐；直筒式中根據(jù)頂部開閉口形式可分為開心式氣化爐和閉口式氣化爐單段下吸式氣化爐單段下吸式氣化

7、爐結(jié)構(gòu)單段下吸式氣化爐主要分為帶有喉區(qū)的喉式（）氣化爐（圖）和不帶喉區(qū)的直筒式（）氣化爐（圖）喉式下吸式氣化爐在中部偏下位置有一個逐漸變窄的喉區(qū)或者 形區(qū)域，將會形成一個高溫喉區(qū)（ ），氣化劑從喉區(qū)中部偏上位置噴入，有助于可燃氣中焦油的進一步裂解，產(chǎn)生的可燃氣中焦油含量較低因此氣化爐是下吸式氣化爐中研究最多應用最廣泛的用于氣化爐的生物質(zhì)原料必須進行烘干切碎篩選等預處理，使其含水率小于，原料的種類一般為闊葉材切碎的木片，而且木片的形態(tài)必須為大小一致的塊狀（長寬），否則氣化后的炭將很難順利通過喉區(qū)，造成架橋和燒穿現(xiàn)象，影響氣化效果氣化爐的啟動時間介于橫吸式氣化爐（最快）和上吸式氣化爐（最慢）之間為

8、了改善氣化爐對原料尺寸和形態(tài)要求比較嚴苛的缺點，一些研究人員開發(fā)了直筒式氣化爐直筒式氣化爐的圓柱形結(jié)構(gòu)使其制造更加簡便，降低了架橋和燒穿現(xiàn)象的發(fā)生，便于產(chǎn)能的擴大設計；另外更易于測量爐內(nèi)各個床層的溫度和成分，制成床層的數(shù)學模型，對生物質(zhì)氣化工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計直筒式氣化爐中的開心式氣化爐（圖），空氣在頂部被吸入，均勻的通過氣化爐，不僅可以提高爐內(nèi)熱化學反應的效率，而且可防止床層局部過熱（飛溫）單段下吸式氣化爐性能影響因素單段式下吸式氣化爐性能主要根據(jù)可燃氣的成分熱值和產(chǎn)量，可燃氣中焦油含量，氣化爐的產(chǎn)能碳轉(zhuǎn)化率和冷氣效率等方面來判斷，其性能主要受當量比（）表觀速度（）物料特性（化學組成含水率形

9、態(tài)（粒徑）氣化劑種類等因素的影響第期馬中青，等： 下吸式生物質(zhì)固定床氣化爐研究進展圖單段下吸式固定床氣化爐結(jié)構(gòu)當量比（）當量比是指氣化過程中單位質(zhì)量物料實際燃燒消耗的空氣量與其完全燃燒所需的空氣量比值而起初是按照（空氣體積和原料質(zhì)量比值）來表示進氣量和物料之間的關(guān)系生物質(zhì)完全燃燒大概需消耗的空氣，因此可根據(jù)所選值算出氣化過程所需的進氣量固定床氣化過程中，當量比一般控制在 之間是氣化過程中最重要的參數(shù)之一，不僅影響可燃氣的成分和熱值，而且影響氧化區(qū)的溫度和可燃氣中焦油含量隨著當量比的不斷提高，氣化爐供給的空氣量增加，氣化爐的喉區(qū)或氧化區(qū)燃燒更劇烈，使得氧化區(qū)的溫度短時間內(nèi)急劇上升，從而通過傳質(zhì)和

10、傳熱作用帶動干燥區(qū)熱解區(qū)和還原區(qū)溫度的升高；然而隨著當量比的增加，帶入的量也越多，作為一種熱載體，跟隨可燃氣被抽出后，也將帶走越來越多的熱量，使得喉區(qū)或氧化區(qū)的溫度逐漸下降，表列出了多種生物質(zhì)在最優(yōu)當量比時氧化區(qū)的溫度（ ），而要使焦油進一步裂解所需的溫度至少為，因此選擇合適的當量比還能降低粗燃氣中焦油的含量表生物質(zhì)下吸式氣化爐參數(shù)及工藝結(jié)果生物質(zhì)氣化爐參數(shù)實驗最優(yōu)工藝和結(jié)果（氣化劑都為空氣）（）產(chǎn)能爐徑喉徑高度冷氣效率當量比熱值（）產(chǎn)氣量（）喉區(qū)溫度參考文獻榛子殼 污泥 木片 木刨花 木片 黃檀木 木片 榛子殼 顆粒狀甘蔗渣 松木塊 牛糞 注： 項產(chǎn)能單位為；項產(chǎn)能單位為為高位熱值（）；為低

11、位熱值（）；為燃氣中不含成分許多學者對各種生物質(zhì)原料氣化工藝的最佳當量比進行了研究，記錄了最佳當量比時的燃氣熱值氧化區(qū)溫度產(chǎn)氣量和冷氣效率（表）發(fā)現(xiàn)其基本規(guī)律為：值越高，原料消耗量南京林業(yè)大學學報（自然科學版）第卷越大，產(chǎn)氣量也越大；在達到最佳當量比值之前，可燃氣中的和含量不斷增加，隨之熱值也不斷上升，一旦超過最佳當量比值，和的含量不斷減少，和含量增加，隨之熱值也不斷減少下吸式固定床氣化爐以空氣為氣化劑時，產(chǎn)出的可燃氣成分一般為： ， ， ， ，其余為和極少量的，其中可燃成分一般占總體積的 ，可燃氣熱值為 下吸式氣化爐的冷氣效率一般為 表觀速度（）表觀速度是指可燃氣通過氣化爐橫截面上最窄部位的

12、速度（），之所以稱為表觀速度是由于氣流必須通過爐內(nèi)的炭床層和高溫喉區(qū)，造成其流速比實際氣流速度小，實際氣流速度一般為表觀速度的 倍研究表明，將會顯著影響氣體產(chǎn)率氣體熱值原料消耗量以及炭和焦油的產(chǎn)量等研究發(fā)現(xiàn)當為時，氣化效果最佳，不僅氣化爐效率高，而且可燃氣中焦油含量低過低時，爐內(nèi)熱解氣化速度減慢，炭和焦油的產(chǎn)率顯著增加；相反，過高，爐內(nèi)熱解氣化速度加快，炭產(chǎn)率下降，氧化區(qū)可燃氣溫度上升過高還會導致氣體在爐內(nèi)的停留時間減少，使得可燃氣熱值下降，燃氣中焦油裂解不充分等研究了氣體流速對生物質(zhì)消耗率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著氣體流速增加，生物質(zhì)消耗率增加因為隨著氣體流速的增加，將帶入更多的氧氣，使得原料燃燒加劇

13、燃燒釋放的更多能量還加劇了干燥和熱解過程因此，在燃燒干燥和熱解過程加劇的共同作用下，生物質(zhì)消耗率增加物料特性（含水率化學成分物料形態(tài)）（）含水率生物質(zhì)進入氣化爐后，生物質(zhì)中自由水和結(jié)合水會在干燥區(qū)蒸發(fā)，這個過程需要消耗大量的熱量若生物質(zhì)含水量過高，必將使氣化爐內(nèi)反應溫度降低，導致各反應區(qū)反應不充分，降低可燃氣質(zhì)量和產(chǎn)量，影響氣化效果有研究發(fā)現(xiàn)隨著物料含水量的上升，不僅使得原料消耗率降低，還會造成原料熱解不充分可燃氣質(zhì)量下降，因此對于下吸式氣化爐，原料的含水率要低于（干燥基），大部分的生物質(zhì)都需要經(jīng)過干燥預處理后才能進入氣化爐等推導出可預測產(chǎn)氣成分的平衡模型，發(fā)現(xiàn)在一定的情況下，可燃氣中含量隨著

14、生物質(zhì)含水率的增加而增加（）化學成分氣化過程都是圍繞生物質(zhì)中碳氫氧種主要元素展開的，生物質(zhì)中這種元素及其構(gòu)成的化合物之間的化學反應構(gòu)成了氣化過程的主要反應是生物質(zhì)中的主要可燃元素，可與氧發(fā)生氧化反應為其他吸熱的氣化反應提供熱量，也是可燃氣中和的元素的直接來源是生物質(zhì)中僅次于的可燃元素，是可燃氣中和的元素的直接來源元素在熱解過程中被釋放出來滿足燃燒過程對氧的需求等，通過對榛子殼和污泥氣化的研究，發(fā)現(xiàn)在相同氣化條件下榛子殼產(chǎn)生的可燃氣高位熱值比污泥高（表），原因是污泥的幾種主要化學成分含量都要比榛子殼低秦恒飛等通過對牛糞和豬糞的元素分析和熱解研究發(fā)現(xiàn)，豬糞含量只有 和 ，熱解干餾產(chǎn)生的氣體的熱值（

15、 ）遠遠少于牛糞（ ），而牛糞氣化產(chǎn)生可燃氣低位熱值為 ，因此牛糞具有氣化潛力，而豬糞不具備氣化潛力（）原料形態(tài)原料形態(tài)包括原料形狀和尺寸（粒徑），對生物質(zhì)熱解氣化過程及產(chǎn)物分布有著重要影響對于秸稈和甘蔗渣等松散能源密度比較低的原料來說，氣化前都需要擠壓或者打包等預處理，提高其堆積密度等研究了種形態(tài)（團狀團狀和束狀混合顆粒狀）的甘蔗渣的氣化性能，發(fā)現(xiàn)隨著物料堆積密度的提高，可燃氣的熱值從 升到 ，可燃氣產(chǎn)量從 升到 ，隨著物料尺寸的減少，氣化爐架橋次數(shù)先減少一半，最后不再出現(xiàn)架橋現(xiàn)象因此選擇合適的原料形態(tài)可減少架橋燒穿并提高燃氣熱值對于木屑等粒徑很小（）的原料，粒徑是影響氣化過程中熱裂解反應的

16、主要參數(shù)之一，因為它將影響熱裂解過程的反應機制研究人員認為粒徑在以下時，熱解過程受反應動力學速率控制，而當粒徑大于時，熱裂解過程還同時受到傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象控制氣化劑采用不同的氣化劑，所產(chǎn)生的可燃氣的成分和熱值差異很大，氣化劑主要有空氣氧氣水蒸氣空氣水蒸氣富氧水蒸氣等，表列出了以空氣水蒸氣氧氣為氣化劑的可燃氣的熱值范圍對于固定床氣化爐來說，無需成本的空氣是研究最多使用最廣的氣化劑，但是只能產(chǎn)生低熱值的可燃氣，因為空氣中大量的稀釋了可燃第期馬中青，等：下吸式生物質(zhì)固定床氣化爐研究進展氣中可燃成分的濃度在氣化劑中加入水蒸氣時，可大大提高可燃氣中的濃度，使熱值上升等以氧氣水蒸氣作為氣化劑，燃氣的最高熱值

17、可達 ，產(chǎn)率達到 （生物質(zhì)）等以空氣水蒸氣作為氣化劑，研究了生物質(zhì)成分對氣化燃氣成分的影響，發(fā)現(xiàn)纖維素木聚糖木質(zhì)素種成分單獨氣化產(chǎn)生燃氣中成分為 表不同氣化劑的可燃氣的熱值氣化劑熱值（）等級空氣 低熱值水蒸氣 中熱值氧氣 高熱值綜上所述，爐體結(jié)構(gòu)不斷朝著降低可燃氣焦油含量提高燃氣熱值便于擴大規(guī)模等方向進行改善；工藝上從選擇合適的氣化劑種類合適的原料種類和預處理方法合適的當量比和表觀速度上著手進行優(yōu)化兩段下吸式氣化爐 兩段下吸式氣化爐結(jié)構(gòu)在直筒式氣化爐的基礎上，為了進一步降低粗燃氣中焦油含量，減少氣體凈化系統(tǒng)成本，提高內(nèi)燃機的使用壽命，一些科研機構(gòu)開發(fā)了兩段式下吸式氣化爐，分為兩步進氣氣化爐（圖

18、）和氣化爐（圖）丹麥技術(shù)大學（）設計的名為的兩段式下吸式氣化爐，其有兩個反應器，分別為熱解和氣化反應器，以空氣和水蒸氣混合作為氣化劑，能產(chǎn)出高熱值和低焦油含量的可燃氣泰國的亞洲理工學院（），印度科學研究院（）以及巴西的聯(lián)邦伊塔茹巴大學（）設計了兩步進氣下吸式氣化爐，空氣氣化劑可通過氣化爐的兩個不同高度位置噴入氣化爐和設計的兩步進氣下吸式氣化爐是閉口式的，一步進氣位置在氣化爐干燥或裂解區(qū)，兩步進氣位置在氣化爐氧化區(qū)（圖）而設計的兩步進氣下吸式氣化爐是開口式的，一步進氣位置跟物料進入氣化爐的位置一樣，都在氣化爐的頂部，而二步進氣位置是在氣化爐的氧化區(qū)（圖 ）圖兩段下吸式固定床氣化爐結(jié)構(gòu)兩段下吸式氣化爐研究現(xiàn)狀丹麥技術(shù)大學（）對氣化爐進行了大量的研究，這種兩段式的結(jié)構(gòu)便于控制氣化各階段的溫度，能產(chǎn)生極低焦油含量的可燃氣等使用空氣和水蒸氣混合作為氣化劑，研究了的氣化爐可燃氣中焦油含量和顆粒的特性，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)能夠顯著的降低可燃氣中焦油含量，可以獲得焦油含量低于的可燃氣年，為了測試氣化爐的長期運行能力，又設計了一種無需人工操作，能自動運行，以木片為原料的氣化爐，進行了超過的熱電聯(lián)產(chǎn)（）整個系統(tǒng)設計和運行情況由等進行了報道經(jīng)過長期的測試發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的可燃氣中焦油含量少于，粗燃氣中能檢測