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    生物質氣化原理及設備淺析

    來源:      發布時間:2021-11-29 13:05:09

    摘要:生物質作為一種可再生的潔凈能源,其氣化技術得到大力發展。本文對生物質氣化的基本原理及氣化工藝類型進行了簡要介紹,同時闡述了主要氣化爐類型的工作原理及優缺點,如固定床原料適應性廣,但難以大型化,流化床氣化效率高但結構復雜;并對氣化爐的特性進行淺析,對生物質氣化工程的設計及運行具有指導意義。

    引言

    隨著全球的能源危機及生態環境的破壞日趨嚴重,生物質作為一種可再生的潔凈能源,僅次于石油、煤炭、天然氣的第四大資源,引起人們的高度重視。生物質氣化技術不僅可以供氣和發電,而且還可以用于合成甲醇和氨,具有充分的技術靈活性,較好的潔凈性,較高的經濟性,且效率高,全球各國都在積極推進生物質氣化技術的研究。

    1生物質氣化原理

    生物質氣化是一個較多復雜的反應的集合,從宏觀來說,都可分為干燥、熱解、氧化(燃燒)和還原四個反應階段。

    干燥是個簡單的物理過程,主要發生在100~150℃之間,整個過程需要吸收大量的熱。當溫度達到15℃以上,生物質開始發生熱解,析出揮發分,留下木炭,構成進一步反應的床層。生物質熱解的氣體產物有CO、CO2、CH4、H2等,會與氧氣發生氧化反應(燃燒),發出大量的熱,為干燥、熱解和還原反應提供足夠熱量,維持整個氣化過程的持續性。氧化反應(燃燒)產生的水蒸氣和CO2等會與碳反應生成H2CO,從而完成固體燃料向氣體燃料的轉變,此過程為還原反應(吸熱反應),溫度越高,反應越激烈,當溫度低于800℃后反應基本處于停滯狀態。

    2固定床氣化爐

    固定床氣化爐中,生物質燃料經歷干燥、熱解、氧化(燃燒)和還原后轉化成可燃氣體。根據氣化劑供給位置和流過燃料層的順序,有上吸式、下吸式、橫吸式和開心式,主要使用前兩種氣化爐。

    2.1上吸式氣化爐

    上吸式氣化爐反應層由上到下依次為干燥層、熱解層、還原層和氧化層。生物質從頂部加入氣化爐中,首先被燃氣加熱干燥,然后受熱發生熱解,析出大量揮發分,固體炭依次進人下方的還原層和氧化層。氣化劑則是從下部供給,首先與固體炭進行氧化反應,放出熱量使氣流和床層溫度迅速升高,氣流中全是燃燒產物。進人還原層后,燃燒產物與炭發生還原反應,吸熱使得溫度降低,當溫度降低到800℃以下,反應速率變得緩慢以至停止。氣流繼續上行,為燃料熱解和干燥提供熱量。

    2.2下吸式氣化爐

    下吸式氣化爐反應層由上到下依次為干燥層、熱解層、氧化層和還原層。根據氣化劑供給的位置不同,有兩種形式的下吸式氣化爐:一是帶有中間縮口段的下吸式氣化爐,氣化劑由中部的縮口段偏上供入;二是無中間縮口段的下吸式氣化爐,氣化劑由上部供入。下吸式氣化爐的工作原理與上吸式基本相同,只是燃料干燥和熱解所需的熱量來自下部的氧化層。

    3流化床氣化爐

    流化床與固定床的主要氣化反應機理基本一樣,但其沒有明顯固定的床層,目前,流化床主要有鼓泡流化床、循環流化床、雙流化床三種形式。

    3.1鼓泡流化床氣化爐(BFB)

    鼓泡流化床中,當氣速超過臨界流化氣速后,固體開始流化,床層出現氣泡,并明顯地出現粒子聚集的密相區和氣泡為主的稀相區。

    爐體比較粗胖,下部是有明顯床層的密相區,氣化反應主要發生在密相區,為了防止細顆粒燃料被氣流帶出密相區,爐膛上部設計有擴張段,降低氣速,也延長了燃料在稀相區的反應時間。

    3.2循環流化床氣化爐(CFB)

    CFB氣化爐爐體細長,爐膛上部出口安裝了旋風分離器,將高溫固體顆粒分離收集并送回爐膛。

    CFB床層充滿整個容器空間,不存在密相區和稀相區,維持床層顆粒濃度的必要條件是很高的固體顆粒循環量,一旦循環不佳,床中全部顆??赡鼙淮悼?。由于生物質燃料的流化特性不好,CFB氣化爐基本上都使用砂子作為輔助流化介質。

    CFB氣化爐有兩個特征:氣流速率較高,一般在4~7m/s之間,床層工作在快速流化區;固定顆粒的高循環倍率在10~20之間。

    3.3雙流化床氣化爐(DFB)

    雙流化床氣化爐采用兩個流化床爐膛,一個是氣化爐,另一個是燃燒爐。生物質燃料加人以熱砂子為床料的氣化爐,從砂子吸收量,進行熱解反應,氣體產物攜帶殘炭和砂子在分離器中分離。分離后的殘炭和砂子在燃燒爐中與空氣發生燃燒,將砂子加熱,煙氣攜帶熱砂子再經分離器分離后,熱砂子返回氣化爐。DFB氣化爐的突出特點是,利用流化床的強大輸運能力使燃料顆粒在兩個流化床爐膛中傳輸。

    4各種型式的氣化爐特點

    固定床氣化爐結構簡單,原料適應性廣,顆粒度能達到100mm,對結渣性敏感度低,燃氣飛灰含量低,但只適用于小規模的氣化操作,難以大型化。

    流化床氣化爐氣化效率高,熱值高,但結構較復雜,對燃料的顆粒度、均勻性、含水量、自然堆積角有一定要求,對結渣性敏感,且燃氣飛灰含量多,需要配套除塵凈化系統。目前,大規模的生物質氣化工程逐漸采用加壓的流化床氣化爐技術。

    5結語

    目前,全球的碳排放要求越來越嚴格,具有“碳零排放”特點的生物質的重要性日趨明顯。本文簡單介紹了生物質的氣化原理并對不同型式的氣化爐進行對比、淺析,可見固定床與流化床各有所長,但流化床更適合大型化,是未來發展的方向,借此給生物質氣化工程的設計、運行帶來點滴的指導意義。

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