韓昌文

（青海省科學技術信息研究所有限公司，青海西寧810008）

　　摘要：我國具有豐富的生物質(zhì)資源，生物質(zhì)是重要的清潔可再生能源，雙流化床生物質(zhì)氣化技術通過將生物質(zhì)氣化和燃燒的過程分開進行，提高了產(chǎn)品合成氣的品質(zhì)。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(zhì)，并為實現(xiàn)CO₂富集和捕獲提供了條件。

　　1背景和意義

　　生物質(zhì)包括農(nóng)林廢棄物、城市和工業(yè)有機廢氣物、動物糞便、植物等。生物質(zhì)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(chǎn)量大，低單位質(zhì)量熱值、低能量密度的優(yōu)勢，具有很大的發(fā)展?jié)撃堋?/p>

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

　　2雙流化床生物質(zhì)氣化及CO₂捕獲的發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1雙流化床生物質(zhì)氣化的發(fā)展狀況

　　生物質(zhì)氣化技術始于1918年Axel Swedlund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(fā)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(jīng)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。Stefan Koppatz等研究對比了循環(huán)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(chǎn)生的燃氣品質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(qū)到高速區(qū)的單向流動，對提高燃料停留時間和燃氣品質(zhì)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(huán)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(xiàn)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(wěn)定的物料傳遞量。

　　2.2鈣基吸收劑循環(huán)吸收CO₂的發(fā)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(jīng)過對比，發(fā)現(xiàn)目前CaO的吸收效率和經(jīng)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?yōu)镕e₃O₄，對運行成本和循環(huán)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(huán)吸收CO₂過程的實現(xiàn)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(huán)吸收CO₂的性能。研究經(jīng)過多次循環(huán)實驗后，發(fā)現(xiàn)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(huán)次數(shù)的增多，CaO表面會產(chǎn)生燒結現(xiàn)象，厚度加大，因此該公式對于多次循環(huán)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(shù)的循環(huán)，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(huán)次數(shù)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(huán)吸收CO₂，對CaO進行了循環(huán)利用，從而節(jié)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(fā)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(jié)約能源，以減少CO₂的排放量，已經(jīng)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(zhì)氣化技術原理

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

　　生物質(zhì)氣化技術產(chǎn)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(chǎn)品的合成，還可以用于鍋爐、內(nèi)燃機等動力裝置的燃料，產(chǎn)生熱量并輸出電力，從而提高了生物質(zhì)的品質(zhì)和利用效率。其氣化原理示意圖如圖1所示：

　　目前，生物質(zhì)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(zhì)，原料將發(fā)生熱解反應并釋放出熱量，生成的合成氣經(jīng)過高溫旋風分離器進行氣固分離并有凈化裝置經(jīng)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(zhì)循環(huán)進入燃燒爐燃燒放出熱量，從而實現(xiàn)了熱量的循環(huán)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(zhì)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(fā)分通過裂解后產(chǎn)生合成氣，經(jīng)過高溫旋風分離器進行氣固分離，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

　　4鈣基循環(huán)吸收劑循環(huán)吸收CO₂的原理

　　鈣基吸收劑是一種經(jīng)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(zhì)產(chǎn)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(huán)吸收CO₂的目的。

　　4.1 CaO吸收CO₂的特點

　　高溫循環(huán)的煅燒，將CaO的內(nèi)部結構造成了一定程度的改變，因此其吸收CO₂的性能產(chǎn)生影響；隨著反應的進行，CaO結構的改變程度趨于穩(wěn)定，從而對吸收CO₂的能力造成的影響緩慢減弱；產(chǎn)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(fā)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(huán)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(nèi)的CaO吸收CO₂生成CaCO₃，生成的CaCO₃經(jīng)其分離器分離后進入燃燒反應器；在燃燒反應器內(nèi)CaCO₃煅燒放出CO₂并生成CaO，經(jīng)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(huán)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(chǎn)生的可燃氣濃度高、熱值較高、含氮量低和焦油含量低等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外研究的熱點之一。如果操作不當，溫度過高，則易發(fā)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(jīng)濟可行性都需要在以后的發(fā)展中進一步解決。