0前言
生物質(zhì)流態(tài)化氣化反應(yīng)爐，是二十世紀(jì)七十年代以來新近開發(fā)的化工單元操作設(shè)備。由于流化床氣化爐與固定床氣化爐相比具有混合均勻，反應(yīng)速度快，氣固接觸面積大，傳熱、傳質(zhì)系數(shù)高，反應(yīng)溫度均勻，單位面積的反應(yīng)強(qiáng)度大，操作易于控制，物料在反應(yīng)器中停留時間短，生產(chǎn)能力大以及操作溫度低，氣化產(chǎn)生的熱值也較高等優(yōu)點。近幾年在生物質(zhì)氣化反應(yīng)領(lǐng)域備受關(guān)注。流化床反應(yīng)器中較低的反應(yīng)溫度以及等溫操作條件使得它適用于各種生物原料的氣化并具有良好的操作彈性。流態(tài)化強(qiáng)化了傳質(zhì)，因而加快了氣化過程，它將成為一種更具吸引力和發(fā)展前途的氣化爐。在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域流態(tài)化氣化爐與上吸式和下吸式氣化爐相比，具有其獨特的優(yōu)點，尤其對于細(xì)粉狀和堆積密度小，難以依靠自重流動的物料氣化，細(xì)粉狀的生物質(zhì)原料在氣化爐中呈流態(tài)化狀態(tài)，進(jìn)行干燥、熱解、部分氧化還原反應(yīng)等～系列過程，產(chǎn)生CO、CH4、H2及C2H4等可燃性氣體，富通新能源生產(chǎn)銷售
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備。
國外對流態(tài)化生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究開發(fā)十分活躍。美國、英國、瑞典、日本、印度、德國、西班牙、比利時、新西蘭、加拿大等國家的學(xué)者分別開展了循環(huán)流化床、加壓流化床等的研究，并且已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
目前，在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域具領(lǐng)先水平的國家有瑞典、美國、意大利和法國等。瑞典科研機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行循環(huán)流化床加壓氣化發(fā)電系統(tǒng)的研究。美國根據(jù)循環(huán)流化床氣化原理，研制出生物綜合氣化裝置一燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)成套設(shè)備。總體上看，歐美發(fā)達(dá)國家研制的生物質(zhì)氣化裝置已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段，氣化裝置規(guī)模較大，自動化程度高，工藝復(fù)雜，以發(fā)電和供熱為主，造價較高，氣化效率60-80%，可燃?xì)怏w熱值1.7-2.5×106kj/m3。
我國的生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用研究，起始于上世紀(jì)80年代初。目前生物質(zhì)氣化技術(shù)在國際生物質(zhì)高效利用方面占有一席之地。氣化爐的應(yīng)用已形成一定規(guī)模，絕大部分是固定床氣化爐。九十年代初，國內(nèi)才開展生物質(zhì)流態(tài)化氣化的研究。中科院廣州能源研究所研究開發(fā)r循環(huán)流化床氣化技術(shù)，應(yīng)用于生物質(zhì)的氣化發(fā)電，已在國內(nèi)進(jìn)行了推廣。河南能源研究所和沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)分別從美國、英國引進(jìn)了流態(tài)化實驗設(shè)備，但是均未能開展進(jìn)一步的應(yīng)用研究。2001年，遼寧能源研究所從意大利引進(jìn)了方型流態(tài)化試驗設(shè)備，但是目前尚未開展研究工作。但總體上來說，我國生物質(zhì)氣化技術(shù)水平還不高，規(guī)模偏小，技術(shù)還需進(jìn)一步完善和提高。目前國內(nèi)少見有文獻(xiàn)報道有關(guān)生物質(zhì)原料的催化氣化研究和實際應(yīng)用的開發(fā)工作。
本研究的目的是利用林業(yè)剩余物（木屑、秸稈和稻殼等），進(jìn)行生物質(zhì)熱解氣化和催化氣化的實驗，以期研究流態(tài)化氣化爐的工程化適應(yīng)性。本研究中利用中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)工業(yè)研究所首創(chuàng)開發(fā)的生物質(zhì)內(nèi)循環(huán)錐型流化床氣化爐。本文僅涉及氣化部分研究工作。
1、實驗研究
1.1實驗材料
將秸稈原料在加入流態(tài)化爐之前先進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)流態(tài)化工藝要求采用粉碎機(jī)將秸桿粉碎成粒徑為3 -5mm的細(xì)顆粒。
原料主要采用了以下幾種：
麥草：熱值（干基）17751 kj/kg;含水率：9.7%
稻草：熱值（干基）16317 kj/kg;含水率：14.0%
稻殼：熱值（干基）16649 kj/kg；含水率：11.5%
木屑：熱值（干基）18784 kj/kg;含水率：13.2%
1.2實驗氣化工藝
本試驗用原料主要采用木屑、稻殼和麥草等農(nóng)林剩余物。對于堆積密度小，灰分含量高，以及熱值低，在反應(yīng)爐中易架橋的細(xì)粉狀物料（稻、麥草經(jīng)粉碎后使用）的氣化，采用了內(nèi)循環(huán)錐型流化床氣化爐作為氣化裝置，以空氣為氣化介質(zhì)、加入催化劑的新工藝。以期較大幅度提高煤氣熱值，改變熱分解歷程，降低反應(yīng)溫度和焦油含量；同時強(qiáng)化了傳熱與傳質(zhì)，加快氣化過程，使氣化過程操作方便，連續(xù)進(jìn)出物料。氣化過程中，生物質(zhì)原料經(jīng)加料系統(tǒng)進(jìn)入氣化爐內(nèi)發(fā)生熱解反應(yīng)，隨后與進(jìn)入的氣化介質(zhì)發(fā)生部分氧化還原反應(yīng)生成可燃?xì)怏w，根據(jù)可燃?xì)怏w的用途不同，采用不同的后續(xù)處理工藝。對于集中供熱系統(tǒng)，氣化爐產(chǎn)生的熱煤氣直接為鍋爐的燃料產(chǎn)生蒸汽供熱或作為干燥熱源。對于集中供氣系統(tǒng)或氣化發(fā)電系統(tǒng)，氣化爐產(chǎn)生的熱煤氣需作凈化處理以滿足管道輸送或燃?xì)獍l(fā)電機(jī)進(jìn)氣的要求。
經(jīng)過預(yù)處理后的物料由螺旋加料器連續(xù)加入流態(tài)化氣化爐，與送人的空氣接觸發(fā)生部分氧化還原反應(yīng)，所產(chǎn)生的煤氣及灰渣由流態(tài)氣化爐頂部排出，經(jīng)旋風(fēng)分離器除去煤氣中的灰份，再進(jìn)入文丘里濕式除塵器進(jìn)一步除塵降溫。經(jīng)文丘里除塵降溫后的氣液混合物進(jìn)入旋風(fēng)分離器使水、氣風(fēng)離，污水由下部排放，煤氣進(jìn)入泡沫洗滌塔進(jìn)一步洗滌降溫，洗滌液經(jīng)冷卻器冷卻后循環(huán)使用，洗滌后的煤氣再進(jìn)入鼓泡洗滌器及煤氣過濾器，由羅茨鼓風(fēng)機(jī)送入煤氣柜，并經(jīng)輸送管道送至各居民用戶。
本研究的試驗工藝技術(shù)路線。料倉(13)中的木屑經(jīng)螺旋輸送器(12)送人流態(tài)化反應(yīng)器(3)中，與經(jīng)氣體處理器(l)送人的氣體接觸，進(jìn)行流化氣化反應(yīng)。所得的氣體經(jīng)惰性除塵器(5)，旋風(fēng)分離器(14)、水洗塔(6，7)、過濾器(8)，由羅茨鼓風(fēng)機(jī)(9)送入氣柜(II)。
試驗過程中，用空氣作為氣化介質(zhì)，對稻草、麥草、稻殼和木屑分別進(jìn)行了試驗，通過調(diào)節(jié)氣化介質(zhì)的流量及物料進(jìn)料速度來控制流態(tài)化氣化反應(yīng)的溫度，對于不同溫度條件下，不同床層壓差條件下所產(chǎn)生的煤氣組份進(jìn)行了測定。同時，還對催化劑在軟秸稈生物質(zhì)氣化工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，使用催化劑的主要目的是研究催化劑對氣化反應(yīng)歷程的影響，調(diào)整氣化反應(yīng)溫度，增加煤氣中的可燃成分，加速焦油的裂解，提高煤氣產(chǎn)量。試驗過程中對Ca0和Na2CO3催化劑進(jìn)行了試驗，探索催化劑的制備方法加入方式，并對催化氣化工藝進(jìn)行了研究。對其生產(chǎn)的煤氣組份及煤氣中焦油含量進(jìn)行了測定。最后對秸桿氣化爐穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行了試驗，篩選秸桿氣化工藝參數(shù)，得出一個最佳的操作工藝參數(shù)范圍。
1.3流化床氣化爐的結(jié)構(gòu)
本研究中利用中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所首創(chuàng)開發(fā)的生物質(zhì)內(nèi)循環(huán)錐型流化床氣化爐。由于錐形流化床截面隨高度而變化，存在著速率梯度：底部截面積較小，流速較高，可以保證大顆粒的流化，而在頂部截面較大，流速低，可防止顆粒的帶出。這樣在一定的流體流量下，能使大小不同的顆粒都能在床層中流化，另一方面可以使流化床軸向方向氣速基本保持不變，有效降低流化床炭粉夾帶量，同時增加設(shè)備的操作彈性。氣化爐采用鋼結(jié)構(gòu)，生物質(zhì)原料由下部螺旋進(jìn)料器加入氣化爐，氣化介質(zhì)通過氣化爐下部氣體與分布錐環(huán)隙進(jìn)入氣化爐，在氣化爐的下、中、上部分設(shè)有測壓口和測溫口，氣化過程中產(chǎn)生的煤氣及灰份由上部引出氣化爐。
1.4氣體成份測試
煤氣成份：流態(tài)化氣化爐的氣體用奧氏氣體分析儀，現(xiàn)場分析測試。
1.5催化劑應(yīng)用
生物質(zhì)的工程化氣化試驗中，催化劑的選用，是在實驗室試驗研究的基礎(chǔ)上，考慮到實際生產(chǎn)應(yīng)用的可行性和經(jīng)濟(jì)性，對流態(tài)化氣化爐工程化研究選擇了價廉，且催化效果較好的Ca0、Na2 C03等作為催化劑。
2、流態(tài)化氣化試驗數(shù)據(jù)和討論
2.1氣化試驗
在流態(tài)化氣化試驗過程中，首先以木屑、秸桿、稻殼為原料在冷態(tài)條件下對原料流化特性進(jìn)行了試驗，實際測量了不同原料的起始流化速度。測定了螺旋轉(zhuǎn)速和加料量之間的關(guān)系曲線。對木屑、稻草、麥草和稻殼分別進(jìn)行氣化試驗。試驗過程中通過調(diào)節(jié)氣化介質(zhì)的流量及原料進(jìn)料速度來控制流態(tài)化氣化爐的反應(yīng)溫度；對不同溫度、不同床層壓差條件下所產(chǎn)生的煤氣組進(jìn)行了測定，試驗研究催化劑對煤氣組成和熱值的影響。
針對不同的原料，在小試的基礎(chǔ)上，選擇廉價經(jīng)濟(jì)可行的催化劑，加入到生物質(zhì)原料中。木屑或經(jīng)粗粉碎的稻、麥草（粒度小于2mm），與催化劑充分混合均勻后，由螺旋式輸送機(jī)連續(xù)不斷地送人流化床內(nèi)，在一定的氣流條件下，爐內(nèi)呈流動狀態(tài)，并且很快被干燥、熱解，并與進(jìn)入床內(nèi)的氣化氣體進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生CO、CO：和CH4等氣體。
2.1.1 不同原料種類對氣化的影響
圖3表示了在無催化劑條件，氣化反應(yīng)溫度為610℃時，不同原料對可燃?xì)怏w組份的影響。木屑的氣化產(chǎn)物中CO含量最高，稻草氣化的Hz最多；而麥草原料氣化時，氣體中C2H4含量最高。結(jié)合圖4可知要得到高熱值氣體，用木屑原料氣化為佳，麥草次之；稻草和稻殼的氣體熱值較低[15]，二者的數(shù)值相近，但是其氣體熱值仍然較通常下吸式氣化爐產(chǎn)生的氣體熱值高15%左右。
2.1.2不同原料與催化氣化的氣體組份關(guān)系
不同的氣化原料催化氣化產(chǎn)生的氣體組份有很大變化。圖5和圖6分別表示了兩個不同氣化溫度下的組份狀況。在不同溫度條件下，無論是什么原料從催化效果來看，同一種原料氣化產(chǎn)物的變化不很顯著。尤其對CO來看，催化劑與非催化的效果相差很小，對CH。而言二種原料都是非催化氣化的氣體含量高，這一點證明了在生物質(zhì)熱解過程中，催化劑有抑制CH。生成的作用，從原料種類分析，無論是否添加催化劑，總體效果是木屑優(yōu)于稻草。
這些現(xiàn)象與氣固反應(yīng)機(jī)理相一致。因為用空氣為氣化劑主要發(fā)生如下反應(yīng)。該反應(yīng)在350℃就開始，當(dāng)溫度達(dá)到500℃，
3、結(jié) 論
1)本研究應(yīng)用的內(nèi)循環(huán)錐形流態(tài)化氣化爐，適合稻草、麥草、稻殼、木屑等蓬松型物料的氣化，氣化爐中部反應(yīng)溫度在600~ 820℃，氣化爐均能穩(wěn)定運行，所生產(chǎn)的煤氣熱值大于5800kj/Nm3，說明流態(tài)化氣化爐具有較大的操作彈性和穩(wěn)定性。
2)采用流態(tài)化氣化爐不僅克服了原料自身密實低，灰份含量高等缺陷，而且用流態(tài)化氣化工藝生產(chǎn)的煤氣熱值高于木質(zhì)原料在固定床氣化爐中產(chǎn)生的煤氣熱值。在上述四種原料中，由麥草氣化生產(chǎn)的煤氣熱值比稻草高，其煤氣值可達(dá)7716kj/Nm3；木屑?xì)饣a(chǎn)的煤氣熱值最高，其煤氣值可達(dá)9064kj/Nm’。
3)在流化床氣化爐中對生物質(zhì)催化氣化過程進(jìn)行了探索性研究，以Ca0和Na2C03作催化劑進(jìn)行了試驗，由試驗數(shù)據(jù)可以看出不同催化劑對煤氣成分的影響也有所不同，Ca0催化劑能明顯增加煤氣中組分，同時使煤氣中CO組分有所下降。Na2 C03催化劑可使煤氣中H：組分有所增加，煤氣中CO含量略有下降。使用催化劑可以有效地調(diào)整煤氣組成，降低煤氣中CO的含量。但是對熱值，在流態(tài)化空氣氣化中，在710℃以下，低溫時無明顯的影響，當(dāng)溫度達(dá)到800℃時，添加催化劑能明顯提高氣體的熱值。
4)在非催化條件下，采用流態(tài)化氣化爐所產(chǎn)生的煤氣熱值比采用下吸式氣化爐所產(chǎn)生的煤氣熱值提高40%左右，并且氣化反應(yīng)溫度比上吸式氣化爐的反應(yīng)溫度有所下降，反應(yīng)溫度更易于控制，因此流態(tài)化氣化爐是一種比較適用、較為理想的生物質(zhì)氣化爐。
相關(guān)顆粒機(jī)秸稈壓塊機(jī)產(chǎn)品：
1、
秸稈顆粒機(jī)
2、
木屑顆粒機(jī)
3、
秸稈壓塊機(jī)
