雙流化床生物質氣化及CO_2捕獲的發展現狀

　　摘要：我國具有豐富的生物質資源，生物質是重要的清潔可再生能源，雙流化床生物質氣化技術通過將生物質氣化和燃燒的過程分開進行，提高了產品合成氣的品質。在床料中添加氧化鈣吸收二氧化碳，可以進一步提升合成氣品質，并為實現CO2富集和捕獲提供了條件。

　　本文源自科技創新與應用,2020(31):62-63.《科技創新與應用》雜志是經中國新聞出版總署備案的學術期刊。主管單位：黑龍江出版集團有限公司，主辦單位：黑龍江省報刊出版有限公司、黑龍江省科學技術協會。《科技創新與應用》具有一定學術和應用價值的學術文獻和反映各學科、各領域的新成果、新工藝、新產品等方面的論述文章，為科技工作者搭建學術交流平臺。

　　1、背景和意義

　　生物質包括農林廢棄物、城市和工業有機廢氣物、動物糞便、植物等。生物質能具有可再生性、資源豐富，清潔、低污染性、CO2零排放特性，資源分布廣、產量大，低單位質量熱值、低能量密度的優勢，具有很大的發展潛能。

　　雙流化床技術的研發利用，解決了生物質燃氣熱值的難題，并且可以實現生物質循環利用和熱量循環，從而降低了運行和投資成本并提高了燃氣品質。

　　2、雙流化床生物質氣化及CO2捕獲的發展現狀

　　2.1雙流化床生物質氣化的發展狀況

　　生物質氣化技術始于1918年AxelSwedlund設計的第一臺上吸式木炭氣化爐，并在二十世紀七十年代的石油危機后蓬勃發展。

　　2003年，浙江大學熱能工程研究所開始著手對雙流化床裝置進行了初步研究，經過相關人員的大力參與并進行了一系列反復試驗，最終成功建成了1kW的雙流化床實驗裝置。

　　StefanKoppatz等研究對比了循環床料(石英砂、橄欖石和方解石)對氣化結果的影響，橄欖石和方解石等對焦油具有催化作用，產生的燃氣品質更高。

　　日本IHI公司Xu等于2007年提出了兩段式雙流化床氣化爐，將氣化裝置的氣化室分成上下兩段進行試驗，結果顯示，兩段式雙流化床中燃料在氣化室停留時間比一般雙流化床短了很多。

　　針對部分生物質水分含量高的特點，中國科學院過程工程所的許光文等提出了能將水含量高的生物質直接氣化的解耦式雙流化床。解耦式雙流化床的設計在一定程度上提高了燃料在氣化室中的停留時間，但是因為只是從低速區到高速區的單向流動，對提高燃料停留時間和燃氣品質的效果有待進一步加強。

　　總的來看，雙流化床比鼓泡流化床和循環流化床在結構上復雜的多，從而引起了其啟動和操作的難度。由于需要實現燃燒爐向氣化爐傳熱，因此兩個反應裝置之間必須維持較為穩定的物料傳遞量。

　　2.2鈣基吸收劑循環吸收CO2的發展狀況

　　FengB等研究了多種金屬氧化物對CO2的吸收過程，對MgO、CaO、Na2O、K2O、FeO等做了大量的實驗，經過對比，發現目前CaO的吸收效率和經濟效益是最好的;金屬氧化物Na2O和K2O在962.85℃時能完全吸收CO2，但再生成程度困難，且它在962.85℃時為氣體;而FeO在高溫情況下容易變為Fe3O4，對運行成本和循環利用帶來了一定的困難。

　　1999年，日本新瀉大學提出在雙流化床裝置可以添加CaO，可以對煙氣中的CO2進行分離的設想，引起了許多相關研究人員對此技術的關注;西班牙國家煤炭研究所在基于鈣基循環吸收CO2過程的實現等方面做出了巨大的貢獻。

　　AbanadesJC等通過實驗總結出一公式來表述CaO循環吸收CO2的性能。研究經過多次循環實驗后，發現CaCO3在反應過程中填充了CaO中間生成的大量空隙，限制了反應的進行;但是隨著循環次數的增多，CaO表面會產生燒結現象，厚度加大，因此該公式對于多次循環吸收具有一定的局限性。

　　ChenZX等對白云石和石灰石做了相關研究，對鈣基吸收劑吸收CO2的性能做了相關實驗，在進行了許多次數的循環，并且做了大量的前期處理工作，即在高溫下分別做6h～24h不等的熱處理。結果顯示隨著循環次數的增加，白云石和石灰石吸收CO2的性能明顯衰減，白云石吸收CO2的效果比石灰石顯著，因此對反應特性做前處理更有利于CO2的吸收，但是對試劑的磨損程度較為嚴重。

　　ShimizuT等提出了雙流化床循環吸收CO2，對CaO進行了循環利用，從而節省了運行成本和原料。但該技術采用分離空氣得到純氧后再與煤粉混合，然后通入燃燒爐發生燃燒并釋放出熱量，以此捕獲到的CO2的濃度相對比較高，煅燒爐是在高溫下反應才能完全，因此要使分解反應徹底化則需加入要額外的能量，這樣顯著增大了能耗。

　　近幾年來，各國大力提倡節約能源，以減少CO2的排放量，已經取得了一定的成果。雙流化床反應器以鈣基吸收劑法對CO2的捕獲技術作為一種便捷的、高效率的有效補充措施應用而生。

　　3、雙流化床技術及鈣基吸收CO2的原理和特點

　　3.1雙流化床生物質氣化技術原理

　　生物質氣化是氣化劑在高溫條件下通過熱化學反應將生物質燃料轉化為可燃氣(CO、H2、CH4等)的過程。

　　生物質氣化技術產生的可燃氣體，應用廣泛;目前可直接用于炊事、取暖，用于液體燃料或化工產品的合成，還可以用于鍋爐、內燃機等動力裝置的燃料，產生熱量并輸出電力，從而提高了生物質的品質和利用效率。其氣化原理示意圖如圖1所示：

　　圖1雙流化床生物質氣化原理

　　目前，生物質氣化裝置主要有固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐。雙流化床裝置由氣化爐和燃燒爐組成，從氣化爐中添加生物質，原料將發生熱解反應并釋放出熱量，生成的合成氣經過高溫旋風分離器進行氣固分離并有凈化裝置經過一系列凈化作用可通入鍋爐燃燒，此過程中生成的焦油和流化介質循環進入燃燒爐燃燒放出熱量，從而實現了熱量的循環利用。

　　3.2雙流化床技術的特點

　　雙流化床氣化爐裝置將生物質燃燒和氣化過程分開進行，且兩個過程之間不會互相影響，揮發分通過裂解后產生合成氣，經過高溫旋風分離器進行氣固分離，提高了系統運行的可靠性。

　　4、鈣基循環吸收劑循環吸收CO2的原理

　　鈣基吸收劑是一種經濟、適用的CO2吸收劑，CaO吸收CO2生成CaCO3，且在高溫下CaCO3可以分解生成CaO;且此反應過程中無其他物質產生，固體CaO之間有很多的空隙，將其加入反應器時，CaO中大量的小孔吸收CO2并生成CaCO3，從而達到了循環吸收CO2的目的。

　　4.1CaO吸收CO2的特點

　　高溫循環的煅燒，將CaO的內部結構造成了一定程度的改變，因此其吸收CO2的性能產生影響;隨著反應的進行，CaO結構的改變程度趨于穩定，從而對吸收CO2的能力造成的影響緩慢減弱;產生的燒結開始凝聚，聚集成大顆粒，阻礙對CO2的吸收，效果大大降低。

　　4.2鈣基吸收CO2的性能

　　CO2捕獲技術是朝著降低運行費用和投資成本發展的，Ca/B對CaO吸收CO2的效率有很大的影響，CaO轉化率對CO2的吸收性能也有較大影響。當選取合理的CaO粒徑范圍，若其粒徑對氣化反應造成的影響可忽略不計，此時碳化爐的床存量將以飛灰和爐渣為主。

　　鈣基吸收劑的循環使用，減少了吸收劑的成本，有效降低了投資運行費用。氣化反應器內的CaO吸收CO2生成CaCO3，生成的CaCO3經其分離器分離后進入燃燒反應器;在燃燒反應器內CaCO3煅燒放出CO2并生成CaO，經其分離器分離后又返回到氣化反應器。

　　5、結束語

　　總的來看，雙流化床比鼓泡流化床和循環流化床在結構上復雜的多，從而引起了其啟動和操作的難度。雙流化床氣化技術產生的可燃氣濃度高、熱值較高、含氮量低和焦油含量低等優點，已成為國內外研究的熱點之一。如果操作不當，溫度過高，則易發生結焦;此外，雙流化床技術和成本要求高，技術的成熟性和經濟可行性都需要在以后的發展中進一步解決。

　　參考文獻：

　　[1]劉琦.雙流化床中煤熱解———氣化工藝試驗研究[D].中國科學院,2009.

　　[2]孫立,張曉東.生物質發電產業化技術[M].北京:化學工業出版社,2011.

　　[3]米鐵,劉武標,陳漢平,等.流化床生物質氣化過程的中試研究[J].環境污染治理技術與設備,2002,3(2):41-45.

　　[4]夏小寶,解東來,葉根銀.雙流化床生物質氣化及CO2捕獲的模擬[J].可再生能源期,2012,29(6):77-85.