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）

生物质是重要的可再生能源，也是二氧化碳近似零排放和氮、硫含量很低的清洁能源。氢是转化效率最高而且洁净的二次能源，是解决未来能源与环境问题的最佳途径之一[1]。由生物质气化制氢是由低品位的一次能源（生物质能）向高品位的二次能源（氢能）的高效转化，对减少温室气体排放和发展低碳经济具有重要意义。

生物质气化是气化剂在高温条件下通过热化学反应将生物质燃料转化为燃气的过程。气化过程中会产生焦油，这不仅造成燃料产气率的降低，还会堵塞和腐蚀低温段反应装置和后续应用装置[2]，因此生物质气化燃气的工业化应用对焦油含量有着严格的要求（表1）[3]。

表1 气化燃气工业化应用的焦油含量要求

生物质气化的气化剂主要有空气、氧气、水蒸气及其混合物等。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/m3，但制备氧气成本较高[4]，而且难以避免二氧化碳对合成气品质的影响。水蒸气气化因为可以得到氢气含量较高的中热值燃气而引起国内外研究者的广泛关注。双流化床气化技术将水蒸气气化和残碳燃烧过程进行分离，提高了燃气中氢气的浓度和整体装置的热效率，具有十分广阔的市场应用前景。

1 双流化床生物质气化过程基本原理

目前，生物质气化装置主要有固定床气化炉、流化床气化炉和气流床气化炉。其中，循环流化床气化炉又分为鼓泡流化床气化炉、循环流化床气化炉和双流化床气化炉。双流化床气化不仅具有一般流化床气化传热良好、燃料适应性强和气化强度大的优点，更因为将燃烧和气化过程进行解耦而大大提高了产品气中氢气的含量，基于钙基吸收CO2的双流化床气化技术可以将燃气中的氢气体浓度提高到73.9%（体积分数）[5]。

双流化床气化炉主要包括两个相互联通的气化室和燃烧室，其炉型的不同主要在于气化室设计的差异。气化室有鼓泡流化床、循环流化床、两段式流化床、U 形流化床、移动床或下行床等多种形 式[6]。

一般形式的双流化床气化炉包括两个互相联通的流化床：一个吸热的气化室和一个放热的燃烧室，将生物质的干燥、热解、气化与燃烧过程进行解耦；气化室主要是以水蒸气为流化介质的鼓泡床，燃烧室一般是以空气或纯氧为流化介质的快速床；气化室产生的生物质残碳随物料循环进入燃烧室，燃烧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 率[7]。双流化床气化过程的基本原理如图1 所示。

图1 双流化床气化过程的基本原理

2 早期双流化床生物质气化技术

生物质气化技术始于 1918年瑞典人 Axel Swedlund 设计的第一台上吸式木炭气化炉[8]，并在20 世纪70年代的石油危机后蓬勃发展。根据已知文献，最早的双流化床生物质气化设计理念是日本学者Kunii 提出的，他于1975年建成了小型双流化床气化示范装置，重点研究了燃烧反应器和气化室的完全密封问题[9]。法国南希大学、TNEE 公司和圣戈班公司于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出16MJ/m3的燃气[9]。意大利学者Italenergie 等建成了气化室内置于燃烧室的双流化床气化装置。西班牙学者Corella 等[10]建成了双流化床气化炉的冷态和热态实验装置并重点研究了气固两相流动规律，实现了良好的物料循环。美国巴特列-哥伦布实验室研发的双流化床气化技术成功应用于1992年在柏林顿建成的技术示范厂[11]。

早期的研究者对双流化床生物质气化技术进行了卓有成效的探索和研究，因为没有采用有催化活性的床料和催化剂、燃烧室和气化室之间存在气体串混、气化室停留时间过短等原因，还存在着焦油含量高（9～38g/m3）、氢气浓度低（体积分数14.6%～33.5%）和装置热效率低等主要技术问 题[9-11]。另外，复杂的装置和高昂的成本，使一些研究者在20 世纪90年代中期对双流化床生物质气化技术的可行性和经济性提出质疑[9]。

3 双流化床生物质气化技术发展现状

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试验研究[12-28]。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，本文作者按照物料循环系统的不同将双流化床气化炉分为内循环双流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。

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，通过两室的不均匀布风造成的压力差实现两室之间的物料循环。重点研究了两室隔板上返料孔大小和布置等对物料循环系统的影响。内循环双流化床没有外置返料器，结构简单紧凑，运行比较稳定，但是难以避免气化室和燃烧室之间的气体串混对燃气品质的影响。其气化装置如图2 所示。

日本群马大学的Xiao 等[7]在内循环双流化床中对基于Ni/Al2O3催化剂的生物质低温气化进行了深入研究，该气化炉分为燃烧室（Ⅰ）、气化室（Ⅱ）和返料室（Ⅲ）三部分，燃烧室和气化室之间通过返料室连接并实现物料循环。相对于一般内循环双流化床而言，返料室的存在在一定程度上降低了燃烧室和气化室之间气体串混对燃气品质的影响。Ni/Al2O3催化剂的应用，使生物质气化在600～700℃的较低温度下得到焦油含量仅为0.3g/m3的燃气，降低了水蒸气气化的热损失，提高了系统热效率。为了解决传统镍基催化剂成本太高的问题，Xiao 等之后又研发了价格较低的褐煤担载镍基催化 剂[29-31]。其气化装置如图3 所示。

图2 中国浙江大学设计的内循环双流化床气化炉[17]

图3 日本群马大学设计的内循环双流化床气化炉[6]

3.2 外循环双流化床

奥地利维也纳技术大学（Vienna University of Technology）的Hofbauer 等[32]从1994年开始从事对双流化床生物质气化的研究工作，通过对返料器的优化设计和用水蒸气作为返料器的流化介质，很好地解决了内循环双流化床中气化室和燃烧室之间的气体反混问题，得到N2体积分数仅为1%～3%的生物质燃气，其技术成功应用于奥地利Güssing 2002年运行的8MWth双流化床生物质示范电厂，至2011年已连续运行55000h 以上。之后，其研究团队又建成了100kWth 的双流化床气化炉，研究发现燃料从鼓泡床层以下给入比床层以上给入气化效率更高，其原因在于当燃料从床层以下给入时，燃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，产生的燃气品质更高，尤其是由于方解石床料对于CO2的吸收作用，在645℃的较低温度下显著提高了燃气中氢气浓度。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。

中国东南大学沈来宏、高扬等[18，35-36]建立了双流化床生物质气化热态试验研究装置，将其命名为串行流化床气化炉，通过实验研究重点探讨了气化反应器温度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 况下一般双流化床中降低20%～25%，气化效率提升了7%。但是，由于燃料颗粒在气化炉中停留时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[37]。其气化装置如图6 所示。

图4 维也纳技术大学设计的双流化床气化炉[32]

图5 中国东南大学设计的串行流化床[35]

图6 两段式双流化床气化炉[37]

Guan 等[38-40]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（triple-bed combined circulating fluidized bed gasifier）。气化炉包括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，将化学能损失降到了 10%以下。Fushimi[41]和Matsuoka[42]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 所示。

针对部分生物质水分含量高需要先干燥再气化的特点，中国科学院过程工程所的许光文等[43-44]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/重整过程进行解耦，不仅提高了气化室中的停留时间，而且低速区产生的水蒸气能够促进高速区的水蒸气气化过程，另外低速区产生的焦炭也随着物料流动进入高速区，这些都对焦油的催化裂解有着促进作用。解耦式双流化床的设计使床料在气化室中实现了从低速区到高速区的单向流动，延长了燃料在气化室中的停留时间，提高了燃气的品质和碳转化率。其气化装置如图8 所示。

图7 三级流化床气化炉[38-40]

图8 解耦式双循环流化床气化炉[44]

4 结语和展望

我国生物质资源储量丰富，但有效利用率还很低。双流化床生物质气化技术的燃料适应性强、气化强度大、产品气中氢气含量高，是将低品位的生物质能转化为高品位氢能的有效途径，适合工业化应用和推广，具有非常广阔的发展前景。

（1）内循环双流化床生物质气化炉没有复杂 的外置物料循环系统，结构简单紧凑，但是难以避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；一般形式的外循环双流化床生物质气化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 段抑制鼓泡床产生的扬析并对产品气进一步净化，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 种新型双流化床气化炉，通过在气化室中布置上下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 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一步研发，以降低水蒸气气化温度进而提高系统热效率。

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