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生物质的流化床利用

时间：2022-07-02 15:36:39 生物/化工/环保/能源我要投稿

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生物质的流化床利用

　　随着经济的发展,对能源的需求持续上升。在化石燃料的利用过程中,人们很少考虑CO2的温室效应对环境的影响。而化石燃料燃烧产生CO2尚无切实可行的解决办法,故减少化石燃料的使用是主要办法,也是我国能源与环境战略中一项十分重要的内容。

生物质的流化床利用

　　目前,各国都在开发各种新能源,试图使人类的能源利用走上可持续发展的道路,而生物质能的转化利用在整个新能源和可再生能源中占据着相当重要的地位。

　　1生物质燃料简介

　　生物质是指通过光合作用产生的有机物,在地球上储量及其丰富,它是一种可再生资源,当它们被利用时,构成生物的基本元素(C、O、H、N等)又为新生生物所用,而储存在其化学键中的能量被释放出来或转化成其他形式的能量。可谓取之不尽,用之不竭。和煤相比它具有含碳量少、挥发分高、密度小、含硫量低、含氮量低的特点。

　　我国是一个农业国家,生物质种类多,数量巨大,较常见的有薪材、稻壳、秸杆、锯末、甘蔗渣、生活垃圾等。据统计，我国农作物秸杆可收集量约为每年4.5亿t,折合标准煤1.8亿t;稻壳5000万t,折合标准煤2000万t;林业加工过程产生的木质废弃物约2400万m3,折合标准煤150万t;各种天然薪材的合理提供量为1.4亿t,折合标准煤0.74亿t。但与我国一次能源中的化石燃料的消费量相比,生物质能所占份额并不大,生物质占1998年一次能源比重约16%,而在商业用能结构中却不到1%。许多生物质在农村以直接燃烧的方式被低效率利用或直接丢弃,不仅浪费了宝贵的能源资源,同时也对环境造成了一定的污染。显然,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满足人类的能源需要。

　　生物质在传统的层状燃烧技术中转化利用存在种种的不足,而流化床燃烧技术作为一种新型清洁高效燃烧技术,具有燃烧效率高、燃料适应性广和有害气体排放量少等优点。中国、美国、德国、瑞典等许多国家非常注重流化床生物质能源化利用技术的开发和研究。美国从1979年就开始采用直接燃烧生物质燃料发电,近几年大力研制采用循环流化床技术的生物质能源化利用路线。瑞典生物质能的利用已占全国总能耗的16.1%,达到55亿kWh,瑞典利用生物质能的一个主要方式是采用联合循环,即将生物质送入循环流化床气化炉中进行气化,产生的燃气再通过燃气轮机发电。

　　2流态化技术简介

　　流态化现象是指固体颗粒在流体（气体或液体）的作用下悬浮在流体中跳动或随流体流动的现象。在自然界中，如河流的泥沙夹带，沙丘的自然迁移等，从广义上说都是一种自然界的流态化现象。流态化技术在工业中的应用更加广泛。能够实现流态化过程的设备称为流化床或沸腾床。

　　流态化现象可以有气体和固体颗粒，液体和固体颗粒以及气体与液体和固体颗粒形成，即所谓的气-固流态化，液-固流态化和气-液-固三相流态化。

　　3生物质的流化床利用分类

　　生物质的流化床利用主要包括流化床燃烧、流化床气化、流化床热解等。

　　3.1生物质的流化床燃烧

　　生物质的流化床燃烧是一种先进的燃烧技术,应用于生物质燃烧上已获得了成功。直接燃烧由于其简单、廉价等特点,在生物质处理中占有重要的地位。直接燃烧的优点是能迅速并大幅减少可燃废弃物的容积,彻底清除有害细菌和病毒,破坏毒性有机物,并回收热能。由于受生物质原料供应的影响,生产规模较小,效率较低。同时由于不同生物质特性差异较大,必须为不同生物质设计专用的锅炉设备。单燃生物质的经济性比较差,燃烧中容易出现炉膛结块等问题,而且生物质灰分含量小、燃烧后难以形成床料、流化特性较差或着火困难等,需要选用与燃烧生物质流化特性相匹配的惰性床料,如砂、燃烧炉渣作为流化媒体,即媒体流化床燃烧技术。该技术可保证形成流化燃烧稳定的密相床层,密相区床层蓄热量很大,且床层内传热传质剧烈,能够为高水分低热值的生物质提供优越的着火条件,床层温度在649℃～982℃左右。目前使用较多的是利用大型电厂的设备,将生物质与煤混燃发电,这样无需或只需对设备进行很小的改造。近年来,在林产丰富的国家,循环流化床燃烧在生物质燃烧领域所占的份额越来越大,这是由于循环流化床具有燃料燃尽性好、燃料适应性强、高热效率以及低的有害气体排放等优点。

　　3.2生物质的流化床气化

　　生物质挥发组分高、炭的活性高、硫和灰的含量低,这些特性使其成为气化理想的原料。生物质气化是在高温下部分氧化使其转化为可燃性气体的的转化过程。这些可燃性气体包括:一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷以及富氢化合物,如乙烷、乙炔、水、氮(如使用空气作氧化介质),各种污染物(小的焦炭颗粒、焦油、石油)。部分氧化可使用空气、氧气、蒸汽,或空气、氧气、蒸汽的混合气体。

　　传统的固定床气化方法由于气化效率低、生产强度较小,不适宜工业化大生产。流化床气化炉,特别是循环流化床气化基本上可以克服以上缺点。而且流化床气化炉气化强度高,入炉的燃料量及风量可严格控制,非常适合于大型的工业供气系统,且燃气的热值可在一定的范

　　围内任意调整。因此现在工业上对生物质的气化多采用流化床。流化床气化炉的特点是物料颗粒和气化剂接触充分、炉内温度高且恒定,焦油也可在其中裂化为气体。循环流化床气化炉由于在气化气出口处设有气固分离器,可将气化气携带出来的物料和惰性材料颗粒分离出来,返回气化炉再次参加反应,从而提高了碳的转化率。与固定床相比,流化床没有炉栅,一个简单的流化床由燃烧室、布风板组成,气化剂通过布风板进入流化床反应器中。按气固流动特性不同,将流化床分为鼓泡流化床和循环流化床。鼓泡流化床气化炉中气流速度相对较低,几乎没有固体颗粒从流化床中逸出。而循环流化床气化炉中流化速度相对较高,从流化床中携带出的颗粒在通过旋风分离器收集后重新送入炉内进行气化反应。流化床气化炉有良好的混合特性和较高的气固反应速率。

　　3.3生物质的流化床热解

　　生物质热裂解液化是指在无空气等氧化气氛或虽有氧化气氛存在,但气化尚不致于大量发生的情形下,以高的加热速率将生物质加热到中温,热裂解析出的挥发分在反应器内停留极短的时间即被快速冷却而获得液体产物的过程。流化床反应器由于能提供较高的加热速率以及相对均匀的反应温度,同时快速流动的载气便于一次产物中及时析出,所以适宜开展热裂解液化的研究。生物质流化床热解既可采用单一流化床,也可采用双流化床。当采用双流化床时,第一级流化床发生热解。砂和渣循环到第二个流化床中,在该床中渣燃烧、砂被加热。热砂则返回到第一个流化床中,提供热解所需的温度。选择砂的大小、生物质大小、床的操作气速和反应器结构,容易实现生物质流化床的热解。

　　生物质快速热解技术是开发利用生物质能源的有效途径.快速热解是指在中温(500℃左右)、高加热速率(可达1000℃/s)和极短的气体停留时间(约2s)的条件下发生的热解反应生成的气体经快速冷却后可获得热解油，所得到的热解油基本上不含硫、氮和金属成分,是一种绿色能源。其生产过程在常压和中温下进行,工艺简单,成本低,装置容易小型化,产品便于运输、存储。因此,获得高品质热解油将是生物质快速热解技术发展方向。

　　循环流化床装置于生物质快速热解实验。该装置主要由四部分组成：下行床热解反应器、提升管燃烧室、热解液体产物捕集装置和粉状生物质加料装置。下行床热解反应器主要完成生物质快速加热、生物质快速热解和气-固快速分离。下行床热解反应器自上而下主要包括：烟气旋风分离器、热载体料仓、蝶阀、固-固混合器、下行床热解室、气-固快速分离器和U阀返料器。其中．固-固混合器内置锥形布料器，作为热载体的河沙经布料器分散后与沿固-固混合器切线方向进入的由N2输送的粉状生物质实现充分混合，从而实现粉状生物质的快速加热；进入热解室的河换实现生物质的快速热解；气-固快速分离器内置导流板和特别设计的弧面锥体，采用气-固的惯性差别以及与弧面、挡板的碰掩作用实现气-固快速分离；实现了气-固快速分离的固体颗粒(生物质热解残余和河砂)经u阀返料器进入提升管燃烧段。提升管燃烧室主要进行来自下行床热解反应器的生物质半焦燃烧。生物质半焦燃烧产生的热量加热由于和生物质在下行热解段发生热交换而温度有所降低的河砂，余热可供热。为使生物质半焦充分燃烧，提升管燃烧器的空气量由一次风和二次风提供。

　　热解液体产物捕集装置主要有两个旋风分离器、套管冷却器和蛇型管复璧冷却器组成。两个旋风分离器依次分离由气-固快速分离器出口处导出的生物质热解气体中的固体颗粒(生物质热解残余和河砂)。采用套管冷却器和蛇形冷却器相结合实现油气的快速冷凝。

　　粉状生物质加料装置由生物质料仓、螺旋给料器和特别设计的喷动床式输送器组成。连续稳定加料是实现生物质热解实验稳定进行的关键，为了避免料仓中生物质粉料搭桥而影响螺旋给料器的给料率，料仓中内置特殊设计的搅拌器。

　　4结论

　　生物质的流化床利用技术现在仍处于开发和示范阶段,但文献已表明该技术有着光明的前景。开发适合我国国情的生物质能流化床利用技术,合理地开发和利用生物质能,可以为我国经济的可持续性发展贡献力量。

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