雙流化床生物質(zhì)氣化及CO₂捕獲的發(fā)展現(xiàn)狀

韓昌文

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(shù)通過將生物質(zhì)氣化和燃燒的過程分開進(jìn)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(jìn)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。

關(guān)鍵詞：雙流化床;生物質(zhì);氣化;CO2捕獲

中圖分類號：TQ031 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）31-0062-02

Abstract： China is rich in biomass resources， and biomass is an important clean and renewable energy. Double fluidized bed biomass gasification technology improves the quality of product syngas by separating the process of biomass gasification and combustion. The addition of calcium oxide to the bed material to absorb carbon dioxide can further improve the quality of syngas and provide conditions for the enrichment and capture of CO2.

Keywords： double fluidized bed; biomass; gasification; capture of CO2

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(shù)的研發(fā)利用，解決了生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档碾y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?xì)馄焚|(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?fàn)顩r

生物質(zhì)氣化技術(shù)始于1918年Axel Swedlund設(shè)計的第一臺上吸式木炭氣化爐，并在二十世紀(jì)七十年代的石油危機后蓬勃發(fā)展。

2003年，浙江大學(xué)熱能工程研究所開始著手對雙流化床裝置進(jìn)行了初步研究，經(jīng)過相關(guān)人員的大力參與并進(jìn)行了一系列反復(fù)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(jié)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?xì)馄焚|(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(jìn)行試驗，結(jié)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(xué)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(shè)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?xì)馄焚|(zhì)的效果有待進(jìn)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(jié)構(gòu)上復(fù)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(yīng)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?fàn)顩r

Feng B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(jì)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(xué)提出在雙流化床裝置可以添加CaO，可以對煙氣中的CO2進(jìn)行分離的設(shè)想，引起了許多相關(guān)研究人員對此技術(shù)的關(guān)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(xiàn)。

Abanades J C等通過實驗總結(jié)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(yīng)過程中填充了CaO中間生成的大量空隙，限制了反應(yīng)的進(jìn)行;但是隨著循環(huán)次數(shù)的增多，CaO表面會產(chǎn)生燒結(jié)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。

Chen Z X等對白云石和石灰石做了相關(guān)研究，對鈣基吸收劑吸收CO2的性能做了相關(guān)實驗，在進(jìn)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(jié)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(yīng)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(yán)重。

Shimizu T等提出了雙流化床循環(huán)吸收CO2，對CaO進(jìn)行了循環(huán)利用，從而節(jié)省了運行成本和原料。但該技術(shù)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(yīng)才能完全，因此要使分解反應(yīng)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(yīng)器以鈣基吸收劑法對CO2的捕獲技術(shù)作為一種便捷的、高效率的有效補充措施應(yīng)用而生。