双流化床生物质气化炉研究进展

进展●26●CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2015年第34卷第1期&综述与专论}50500000500052双流化床生物质气化炉研究进展.王晓明，肖显斌，刘吉，陈旭娇，覃吴，董长青，李文艳(华北电力大学生物质发电成套设备国家工程实验室，北京102206)摘要:生物质是重要的清洁可再生能源，双流化床生物质气化技术是将低品位的生物质能转化成高品位氢能的重要途径。本文阐明了双流化床气化过程的基本原理，从燃气中氢气浓度、焦油含量和装置热效率等角度，介绍了双流化床生物质气化技术的早期探索和发展现状，对目前几种典型双流化床生物质气化炉的炉型设计及相关试验研究进行了分析和总结。指出内循环双流化床气化炉结构虽然简单紧凑，但是难以避免气化室和燃烧室之间的气体串混问题;而外循环流化床通过外置返料器很好地解决了气体串混问题。分析了不同气化室优化设计方案对提升燃气品质的理论依据及其优缺点。最后对双流化床生物质气化技术的发展进行了总结和展望，指出双流化床生物质气化制氢具有非常广阔的工业化应用和发展前景。关键词:生物质气化;双流化床;焦油;氢;气化炉中图分类号: TK 6文献标志码: A文章编号: 1000 - 6613 (2015) 01 - 0026 - 06DOI: 10.16085/jissn. 10000 6613.2015.01.004Research progress of dual fluidized bed biomass gasifierWANG Xiaoming, XIAO Xianbin，LIU Ji, CHEN Xujiao，QIN Wu，DONG Changqing，LI Wenyan(National Engineering Laboratory for Biomass Power Generation Equipment，North China Eletric Power University,Bejing 102206，China)Abstract: Biomass is an important part of clean and renewable energy sources. Dual fluidized bedbiomass gasification is an important technology that transforms low-quality biomass into high-qualityhydrogen. This paper illustrates the basic principles of the dual fluidized bed gasification process, andsummarizes the early exploration and development status of the dual fluidized bed biomass gasificationtechnology from the perspective of hydrogen concentration，tar content and device thermal efficiency.The furnace design and related experimental studies of several typical dual fluidized bed biomassgasifiers are analyzed and summarized. Internal circulating dual fluidized bed gasification furnace hassimple and compact structure，but it is difficult to prevent gas leakage between gasification chamberand combustion chamber. External circulating dual fluidized bed with external recycle device resolvesthe problem of gas leakage. The theoretical basis, advantages and disadvantages of different optimizedgasification chamber designs are analyzed. The development of dual fluidized bed biomass gasificationtechnology is summarized and prospected. Dual fluidized bed biomass gasification has broad industrialapplication and development prospect.Key words: biomass gasification; dual fluidized bed; tar; hydrogen; gasifier生物质是重要的可再生能源，也是二氧化碳近收稿日期: 2014-06-12; 修改稿日期: 2014-07-04。似零排放和氮、硫含量很低的清洁能源。氢是转化基金项目:国家自然科学基金(51206050) 及中央高校基本科研业务效率最高而且洁净的二次能源，是解决未来能源与专项资金(12MS40) 项目。第一作者:王晓明(1989- -),男，硕士研究生。联系人:肖显斌，副环境问题的最佳途径之-1。由生物质气化制氢是教授，研究方向为生中国煤化工?ncepu. edu.cn.MHCNMH G .第1期王晓明等:双流化床生物质气化炉研究进展●27●由低品位的一次能源(生物质能)向高品位的二次流化床、∪形流化床、移动床或下行床等多种形.能源(氢能)的高效转化，对减少温室气体排放和式问。发展低碳经济具有重要意义。一般形式的双流化床气化炉包括两个互相联通生物质气化是气化剂在高温条件下通过热化学的流化床:一个吸热的气化室和一个放热的燃烧室，反应将生物质燃料转化为燃气的过程。气化过程中将生物质的干燥、热解、气化与燃烧过程进行解耦;会产生焦油，这不仅造成燃料产气率的降低，还会气化室主要是以水蒸气为流化介质的鼓泡床，燃烧堵塞和腐蚀低温段反应装置和后续应用装置12)，因室一般是以空气或纯氧为流化介质的快速床;气化此生物质气化燃气的工业化应用对焦油含量有着严室产生的生物质残碳随物料循环进入燃烧室，燃烧格的要求(表1) (31。所释放的热量则随着物料循环进入吸热的气化室，实现装置自供热，提高了碳的转化率和装置热效表1气化燃气工业化应用的焦油含量要求率7]。双流化床气化过程的基本原理如图1所示。燃气应用装置焦油含量要求燃气火力发电站不重要，但必须避免冷凝(CO2、N. H,0筝)(H、Co、CO2. CH等)内燃机< 100mg/m3↑↓冷凝物燃气轮机< 50mg/m3上热量二s(H2O)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)< 2000uL/L燃烧室物料循环气化室质子交换膜燃料电池(PEMFC)< 10uL/L费托合成(F-T)< 1μL/L个二些个空气燃料水蒸气.生物质气化的气化剂主要有空气、氧气、水蒸图1双流化床 气化过程的基本原理气及其混合物等。空气气化时因为大量氮气的存在，只能产生热值为4~ 7MJ/m3的低热值合成气。氧气2早期双流化床生物质气化技术气化有效避免了氮气对合成气的稀释，将燃气热值提高到10~ 12MJ/m’，但制备氧气成本较高4，而生物质气化技术始于1918 年瑞典人Axel且难以避免二氧化碳对合成气品质的影响。水蒸气Swedlund设计的第- - 台.上吸式木炭气化炉8),并在气化因为可以得到氢气含量较高的中热值燃气而引20世纪70年代的石油危机后蓬勃发展。根据已知起国内外研究者的广泛关注。双流化床气化技术将文献，最早的双流化床生物质气化设计理念是日本水蒸气气化和残碳燃烧过程进行分离，提高了燃气学者Kunii提出的，他于1975 年建成了小型双流化中氢气的浓度和整体装置的热效率，具有十分广阔床气化示范装置，重点研究了燃烧反应器和气化室的市场应用前景。的完全密封问题191。法国南希大学、TNEE公司和1双流化床生物质气化过程基本原理圣戈班公司于1984 年和1985 年建成并运行了有500kg/h生物质处理量的双流化床气化装置并生产目前，生物质气化装置主要有固定床气化炉、出16MJ/m3的燃气9。意大利学者Italenergie等建流化床气化炉和气流床气化炉。其中，循环流化床成了气化室内置于燃烧室的双流化床气化装置。西气化炉又分为鼓泡流化床气化炉、循环流化床气化班牙学者Corella 等!0)建成了双流化床气化炉的冷炉和双流化床气化炉。双流化床气化不仅具有一-般态和热态实验装置并重点研究了气固两相流动规流化床气化传热良好、燃料适应性强和气化强度大律,实现了良好的物料循环。美国巴特列-哥伦布实的优点，更因为将燃烧和气化过程进行解耦而大大验室研发的双流化床气化技术成功应用于1992 年提高了产品气中氢气的含量,基于钙基吸收CO2的在柏林顿建成的技术示范厂(11。双流化床气化技术可以将燃气中的氢气体浓度提高早期的研究者对双流化床生物质气化技术进行到73.9% (体积分数) [51。了卓有成效的探索和研究，因为没有采用有催化活.双流化床气化炉主要包括两个相互联通的气化性的床料和催化剂、燃烧室和气化室之间存在气体室和燃烧室，其炉型的不同主要在于气化室设计的串混、气化室停留时间过短等原因，还存在着焦油差异。气化室有鼓泡流化床、循环流化床、两段式含量高(9中国煤化工(体积分数HCNMH G .●28●化I进展2015年第34卷14.6%~33.5%) 和装置热效率低等主要技术问Ni/Al2O3催化剂的应用，使生物质气化在600 ~700题9-11。另外，复杂的装置和高昂的成本，使-些°C的较低温度下得到焦油含量仅为0.3g/m3的燃气，研究者在20世纪90年代中期对双流化床生物质气降低了水蒸气气化的热损失，提高了系统热效率。化技术的可行性和经济性提出质疑'9。为了解决传统镍基催化剂成本太高的问题，Xiao等3双流化床生物质气化技术发展现状之后又研发了价格较低的褐煤担载镍基催化剂2931。其气化装置如图3所示。.为了提高燃气品质与装置稳定性和经济性，国内外研究者们提出了不同的双流化床气化炉设计方案，并在此基础上对双流化床气化进行了大量的"I试验研究1228]。由于物料循环系统对双流化床的燃气品质和稳定运行的重要作用，本文作者按照物料At循环，系统的不同将双流化床气化炉分为内循环双流| |m化床气化炉和外循环双流化床气化炉两大类。以下是几种典型的双循环流化床气化炉的炉型设计及相关试验研究。(日) 气化炉横截面(b)气化炉三维结构(气化炉的一半)3.1内循环双流化床中国浙江大学方梦祥等16设计了内循环双流化图3日本群 马大学设计的内循环双流化床气化炉6床并建立了小型试验装置，其装置设计理念是通过上下开孔的隔板将气化炉分为气化室和燃烧室，通3.2 外循环双流化床过两室的不均匀布风造成的压力差实现两室之间的奥地利维也纳技术大学(Vienna University of物料循环。重点研究了两室隔板.上返料孔大小和布Technology)的Hofbauer 等[32)从1994 年开始从事置等对物料循环系统的影响。内循环双流化床没有对双流化床生物质气化的研究工作，通过对返料器外置返料器，结构简单紧凑，运行比较稳定，但是的优化设计和用水蒸气作为返料器的流化介质，很难以避免气化室和燃烧室之间的气体串混对燃气品好地解决了内循环双流化床中气化室和燃烧室之间质的影响。其气化装置如图2所示。的气体反混问题，得到N2体积分数仅为1%~ 3%的日本群马大学的Xiao等17在内循环双流化床中生物质燃气，其技术成功应用于奥地利Giussing对基于Ni/Al2O3催化剂的生物质低温气化进行了深2002年运行的8Mwh双流化床生物质示范电厂，入研究，该气化炉分为燃烧室( I )、气化室(II)至2011年已连续运行55000h以上。之后，其研究和返料室(II)三部分，燃烧室和气化室之间通过团队又建成了100kWth 的双流化床气化炉，研究发返料室连接并实现物料循环。相对于一般内循环双现燃料从鼓泡床层以下给入比床层以上给入气化效流化床而言，返料室的存在在一定程度上降低了燃率更高，其原因在于当燃料从床层以下给入时，燃烧室和气化室之间气体串混对燃气品质的影响。料在传热强烈的鼓泡床床层内停留时间更长，挥发分和焦油与具有催化作用的床料和焦炭能够更好地燃气吃接触和反应。Hofbauer 等对比了采用石英砂、橄榄石和方解石作为循环床料对气化结果的影响，由于橄榄石和方解石等对焦油具有催化作用，产生的燃气化室|燃烧室、上返料孔气品质更高，尤其是由于方解石床料对于CO2的吸收作用，在645°C的较低温度下显著提高了燃气中燃料下返料孔氢气浓度。采用3种床料时燃气中焦油含量分别为8.2g/m3、3.1g/m3 和1.4g/m3， H2体积分数分别为35.4%、42.0%和73.9%5. 32-33。其气化装置如图4所示。水蒸气空气中国东南大学沈来宏、高扬等118. 35-36)建立了双图2中国浙江大学设计的内循环双流化床气化炉171流化床生物质中国煤化工将其命名为MYHCNMH G第1期王晓明等:双流化床生物质气化炉研究进展●29●串行流化床气化炉，通过实验研究重点探讨了气化图↑反应器温度T、水蒸气与生物质的质量比S/B对气化结果的影响。串行流化床很好地解决了燃烧反应器和气化反应器之间的气体反混问题，能够稳定连续的产生不含N2的高品质产品气。其气化装置如图5所示。日本IHI公司Xu等于2007年提出了两段式双流化床气化炉(two- stage fluidized bed gasifier)，该然|装置主要特点是将气化装置的气化室分成上下两段，下段的反应情形类似鼓泡流化床，而上段的主.要作用是降低鼓泡流化床存在的颗粒扬析影响和进一步净化合成气，其产品气中焦油的含量比相似工烟气给料器1图6两段式 双流化床气化炉137)况下一般双流化床中降低20% ~25%，气化效率提听升了7%。但是，由于燃料颗粒在气化炉中停留时<燕气给料器2间比一般双流化床的燃料停留时间更短，导致其气化效率仍然有待提高B3]。其气化装置如图6所示。Guan等138-40]在 研究低温条件下煤/生物质共气化过程中，提出了三级流化床气化炉(triplebed水蒸气combined circulating fluidized bed gasifier)。 气化炉克翼包括3个反应器:提升管燃烧室、煤焦气化的鼓泡流化床和将挥发分进行热解和重整的下行床。与一图4维也纳技 术大学设计的双流化床气化炉[321般双流化床气化炉从鼓泡流化床给料不同，三级流化床气化炉的燃料是从下行床给入的。下行床的存在将快速热解产生的挥发分与下行床中碳的接触时间延长至几十秒钟，而挥发分与碳的相互作用对焦油裂解有促进作用，降低了产品气中的焦油含量,攀↑将化学能损失降到了10% 以下。Fushimil41]和Matsuokal42]等分别建成了冷态和热态三级流化床气化装置并进行了试验研究。其气化装置如图7低所示。针对部分生物质水分含量高需要先干燥再气化验|的特点，中国科学院过程工程所的许光文等14344提出了能将水含量高的生物质直接气化的解耦式双流化床气化炉( decoupled dual fluidized bed gasifier)。其设计理念主要是用下部开孔的隔板将气化室分隔成左右两个区域的U形床，依靠不均匀布风实现物料从低速区到高速区的流动，将干燥/热解与气化1重整过程进行解耦，不仅提高了气化室中的停留时图5中国 东南大学设计的串行流化床[351间，而且低速中国煤化工高速区的水YHCNMH G●30.化I进展2015年第34卷CO、CO2等免因为燃烧室和气化室之间气体串混造成的产品气品质下降; - -般形式的外循环双流化床生物质气化煤/生物质炉通过在外置返料系统中采用水蒸气作为流化介质，很好地避免了燃烧室和气化室之间的气体串混，并在工业化应用上取得了巨大进展。(2)两段式双流化床气化炉通过气化室的上- -焦油和燃气段抑制鼓泡床产生的扬析并对产品气进--步净化，煤焦H2,CO,CO2等三级流化床气化炉和解耦式双流化床气化炉通过延长挥发分与碳相互作用时间降低了产品气中的焦油含量。装置的改进提高了燃气品质，但是也使气化装置和操作更加复杂。(3)在总结前人研究成果的基础上提出了一02水蒸气种新型双流化床气化炉，通过在气化室中布置上下图7三级流 化床气化炉138-401开孔的隔板实现气化室内物料内循环，进一步延长了气化时间以提高碳转化率和降低产品气中焦油烟气含量。(4)基于钙基吸收CO2的双流化床气化可以产生H2含量很高的产品气,还可以降低气化所需温度以提高系统热效率;当在燃烧室中采用纯氧和再燃气循环烟气作为流化介质时，可以进一步提高烟气中CO2含量以进行捕集和封存。(5)由于气化室中水蒸气重整需要大量热量，目前的双流化床气化炉还不能实现完全自供热，多需要补充燃料或者外部热源。低温气化时高效低成本催化剂还有待进- .步研发，以降低水蒸气气化温度进而提高系统热效率。空气水蒸气水蒸气参考文献图8解耦式双循环流化床气化炉4411] Asadullah M, Ito S, Kunimori K, et al. 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