生物質的流化牀利用

隨着經濟的發展,對能源的需求持續上升。在化石燃料的利用過程中,人們很少考慮CO2的温室效應對環境的影響。而化石燃料燃燒產生CO2尚無切實可行的解決辦法,故減少化石燃料的使用是主要辦法,也是我國能源與環境戰略中一項十分重要的內容。

目前,各國都在開發各種新能源,試圖使人類的能源利用走上可持續發展的道路,而生物質能的轉化利用在整個新能源和可再生能源中佔據着相當重要的地位。

　　1生物質燃料簡介

生物質是指通過光合作用產生的有機物,在地球上儲量及其豐富,它是一種可再生資源,當它們被利用時,構成生物的基本元素(C、O、H、N等)又為新生生物所用,而儲存在其化學鍵中的能量被釋放出來或轉化成其他形式的能量。可謂取之不盡,用之不竭。和煤相比它具有含碳量少、揮發分高、密度小、含硫量低、含氮量低的特點。

我國是一個農業國家,生物質種類多,數量巨大,較常見的有薪材、稻殼、秸杆、鋸末、甘蔗渣、生活垃圾等。據統計，我國農作物秸杆可收集量約為每年4.5億t,摺合標準煤1.8億t;稻殼5000萬t,摺合標準煤2000萬t;林業加工過程產生的木質廢棄物約2400萬m3,摺合標準煤150萬t;各種天然薪材的合理提供量為1.4億t,摺合標準煤0.74億t。但與我國一次能源中的化石燃料的消費量相比,生物質能所佔份額並不大,生物質佔1998年一次能源比重約16%,而在商業用能結構中卻不到1%。許多生物質在農村以直接燃燒的方式被低效率利用或直接丟棄,不僅浪費了寶貴的能源資源,同時也對環境造成了一定的污染。顯然,如此巨量的能源如能充分加以利用,完全可以在很大程度上滿足人類的能源需要。

生物質在傳統的層狀燃燒技術中轉化利用存在種種的不足,而流化牀燃燒技術作為一種新型清潔高效燃燒技術,具有燃燒效率高、燃料適應性廣和有害氣體排放量少等優點。中國、美國、德國、瑞典等許多國家非常注重流化牀生物質能源化利用技術的開發和研究。美國從1979年就開始採用直接燃燒生物質燃料發電,近幾年大力研製採用循環流化牀技術的生物質能源化利用路線。瑞典生物質能的利用已佔全國總能耗的16.1%,達到55億kWh,瑞典利用生物質能的一個主要方式是採用聯合循環,即將生物質送入循環流化牀氣化爐中進行氣化,產生的燃氣再通過燃氣輪機發電。

　　2流態化技術簡介

流態化現象是指固體顆粒在流體（氣體或液體）的作用下懸浮在流體中跳動或隨流體流動的現象。在自然界中，如河流的泥沙夾帶，沙丘的自然遷移等，從廣義上説都是一種自然界的流態化現象。流態化技術在工業中的應用更加廣泛。能夠實現流態化過程的設備稱為流化牀或沸騰牀。

流態化現象可以有氣體和固體顆粒，液體和固體顆粒以及氣體與液體和固體顆粒形成，即所謂的氣-固流態化，液-固流態化和氣-液-固三相流態化。

　　3生物質的流化牀利用分類

生物質的流化牀利用主要包括流化牀燃燒、流化牀氣化、流化牀熱解等。

3.1生物質的流化牀燃燒

生物質的流化牀燃燒是一種先進的燃燒技術,應用於生物質燃燒上已獲得了成功。直接燃燒由於其簡單、廉價等特點,在生物質處理中佔有重要的地位。直接燃燒的優點是能迅速並大幅減少可燃廢棄物的容積,徹底清除有害細菌和病毒,破壞毒性有機物,並回收熱能。由於受生物質原料供應的影響,生產規模較小,效率較低。同時由於不同生物質特性差異較大,必須為不同生物質設計專用的鍋爐設備。單燃生物質的經濟性比較差,燃燒中容易出現爐膛結塊等問題,而且生物質灰分含量小、燃燒後難以形成牀料、流化特性較差或着火困難等,需要選用與燃燒生物質流化特性相匹配的惰性牀料,如砂、燃燒爐渣作為流化媒體,即媒體流化牀燃燒技術。該技術可保證形成流化燃燒穩定的密相牀層,密相區牀層蓄熱量很大,且牀層內傳熱傳質劇烈,能夠為高水分低熱值的生物質提供優越的着火條件,牀層温度在649℃～982℃左右。目前使用較多的是利用大型電廠的設備,將生物質與煤混燃發電,這樣無需或只需對設備進行很小的改造。近年來,在林產豐富的國家,循環流化牀燃燒在生物質燃燒領域所佔的份額越來越大,這是由於循環流化牀具有燃料燃盡性好、燃料適應性強、高熱效率以及低的有害氣體排放等優點。

3.2生物質的流化牀氣化

生物質揮發組分高、炭的活性高、硫和灰的含量低,這些特性使其成為氣化理想的原料。生物質氣化是在高温下部分氧化使其轉化為可燃性氣體的的轉化過程。這些可燃性氣體包括:一氧化碳、二氧化碳、氫氣、甲烷以及富氫化合物,如乙烷、乙炔、水、氮(如使用空氣作氧化介質),各種污染物(小的焦炭顆粒、焦油、石油)。部分氧化可使用空氣、氧氣、蒸汽,或空氣、氧氣、蒸汽的混合氣體。

傳統的固定牀氣化方法由於氣化效率低、生產強度較小,不適宜工業化大生產。流化牀氣化爐,特別是循環流化牀氣化基本上可以克服以上缺點。而且流化牀氣化爐氣化強度高,入爐的燃料量及風量可嚴格控制,非常適合於大型的工業供氣系統,且燃氣的熱值可在一定的範

圍內任意調整。因此現在工業上對生物質的氣化多采用流化牀。流化牀氣化爐的特點是物料顆粒和氣化劑接觸充分、爐內温度高且恆定,焦油也可在其中裂化為氣體。循環流化牀氣化爐由於在氣化氣出口處設有氣固分離器,可將氣化氣攜帶出來的物料和惰性材料顆粒分離出來,返回氣化爐再次參加反應,從而提高了碳的轉化率。與固定牀相比,流化牀沒有爐柵,一個簡單的流化牀由燃燒室、布風板組成,氣化劑通過布風板進入流化牀反應器中。按氣固流動特性不同,將流化牀分為鼓泡流化牀和循環流化牀。鼓泡流化牀氣化爐中氣流速度相對較低,幾乎沒有固體顆粒從流化牀中逸出。而循環流化牀氣化爐中流化速度相對較高,從流化牀中攜帶出的顆粒在通過旋風分離器收集後重新送入爐內進行氣化反應。流化牀氣化爐有良好的混合特性和較高的氣固反應速率。

3.3生物質的流化牀熱解

生物質熱裂解液化是指在無空氣等氧化氣氛或雖有氧化氣氛存在,但氣化尚不致於大量發生的情形下,以高的加熱速率將生物質加熱到中温,熱裂解析出的揮發分在反應器內停留極短的時間即被快速冷卻而獲得液體產物的過程。流化牀反應器由於能提供較高的加熱速率以及相對均勻的反應温度,同時快速流動的載氣便於一次產物中及時析出,所以適宜開展熱裂解液化的研究。生物質流化牀熱解既可採用單一流化牀,也可採用雙流化牀。當採用雙流化牀時,第一級流化牀發生熱解。砂和渣循環到第二個流化牀中,在該牀中渣燃燒、砂被加熱。熱砂則返回到第一個流化牀中,提供熱解所需的温度。選擇砂的大小、生物質大小、牀的操作氣速和反應器結構,容易實現生物質流化牀的熱解。

生物質快速熱解技術是開發利用生物質能源的有效途徑.快速熱解是指在中温(500℃左右)、高加熱速率(可達1000℃/s)和極短的氣體停留時間(約2s)的.條件下發生的熱解反應生成的氣體經快速冷卻後可獲得熱解油，所得到的熱解油基本上不含硫、氮和金屬成分,是一種綠色能源。其生產過程在常壓和中温下進行,工藝簡單,成本低,裝置容易小型化,產品便於運輸、存儲。因此,獲得高品質熱解油將是生物質快速熱解技術發展方向。

循環流化牀裝置於生物質快速熱解實驗。該裝置主要由四部分組成：下行牀熱解反應器、提升管燃燒室、熱解液體產物捕集裝置和粉狀生物質加料裝置。下行牀熱解反應器主要完成生物質快速加熱、生物質快速熱解和氣-固快速分離。下行牀熱解反應器自上而下主要包括：煙氣旋風分離器、熱載體料倉、蝶閥、固-固混合器、下行牀熱解室、氣-固快速分離器和U閥返料器。其中．固-固混合器內置錐形布料器，作為熱載體的河沙經布料器分散後與沿固-固混合器切線方向進入的由N2輸送的粉狀生物質實現充分混合，從而實現粉狀生物質的快速加熱；進入熱解室的河換實現生物質的快速熱解；氣-固快速分離器內置導流板和特別設計的弧面錐體，採用氣-固的慣性差別以及與弧面、擋板的碰掩作用實現氣-固快速分離；實現了氣-固快速分離的固體顆粒(生物質熱解殘餘和河砂)經u閥返料器進入提升管燃燒段。提升管燃燒室主要進行來自下行牀熱解反應器的生物質半焦燃燒。生物質半焦燃燒產生的熱量加熱由於和生物質在下行熱解段發生熱交換而温度有所降低的河砂，餘熱可供熱。為使生物質半焦充分燃燒，提升管燃燒器的空氣量由一次風和二次風提供。

熱解液體產物捕集裝置主要有兩個旋風分離器、套管冷卻器和蛇型管復璧冷卻器組成。兩個旋風分離器依次分離由氣-固快速分離器出口處導出的生物質熱解氣體中的固體顆粒(生物質熱解殘餘和河砂)。採用套管冷卻器和蛇形冷卻器相結合實現油氣的快速冷凝。

粉狀生物質加料裝置由生物質料倉、螺旋給料器和特別設計的噴動牀式輸送器組成。連續穩定加料是實現生物質熱解實驗穩定進行的關鍵，為了避免料倉中生物質粉料搭橋而影響螺旋給料器的給料率，料倉中內置特殊設計的攪拌器。

　　4結論

生物質的流化牀利用技術現在仍處於開發和示範階段,但文獻已表明該技術有着光明的前景。開發適合我國國情的生物質能流化牀利用技術,合理地開發和利用生物質能,可以為我國經濟的可持續性發展貢獻力量。