雙流化床生物質(zhì)氣化及CO_2捕獲的發(fā)展現(xiàn)狀

　　摘要：我國(guó)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(shí)現(xiàn)CO2富集和捕獲提供了條件。

　　本文源自科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2020(31):62-63.《科技創(chuàng)新與應(yīng)用》雜志是經(jīng)中國(guó)新聞出版總署備案的學(xué)術(shù)期刊。主管單位：黑龍江出版集團(tuán)有限公司，主辦單位：黑龍江省報(bào)刊出版有限公司、黑龍江省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)。《科技創(chuàng)新與應(yīng)用》具有一定學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)和反映各學(xué)科、各領(lǐng)域的新成果、新工藝、新產(chǎn)品等方面的論述文章，為科技工作者搭建學(xué)術(shù)交流平臺(tái)。

　　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(jī)廢氣物、動(dòng)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(shì)，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(shí)現(xiàn)生物質(zhì)循環(huán)利用和熱量循環(huán)，從而降低了運(yùn)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AxelSwedlund設(shè)計(jì)的第一臺(tái)上吸式木炭氣化爐，并在二十世紀(jì)七十年代的石油危機(jī)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(duì)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(yàn)，最終成功建成了1kW的雙流化床實(shí)驗(yàn)裝置。

　　StefanKoppatz等研究對(duì)比了循環(huán)床料(石英砂、橄欖石和方解石)對(duì)氣化結(jié)果的影響，橄欖石和方解石等對(duì)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(yàn)，結(jié)果顯示，兩段式雙流化床中燃料在氣化室停留時(shí)間比一般雙流化床短了很多。

　　針對(duì)部分生物質(zhì)水分含量高的特點(diǎn)，中國(guó)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(jì)在一定程度上提高了燃料在氣化室中的停留時(shí)間，但是因?yàn)橹皇菑牡退賲^(qū)到高速區(qū)的單向流動(dòng)，對(duì)提高燃料停留時(shí)間和燃?xì)馄焚|(zhì)的效果有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

　　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(dòng)和操作的難度。由于需要實(shí)現(xiàn)燃燒爐向氣化爐傳熱，因此兩個(gè)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

　　FengB等研究了多種金屬氧化物對(duì)CO2的吸收過程，對(duì)MgO、CaO、Na2O、K2O、FeO等做了大量的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)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(shí)能完全吸收CO2，但再生成程度困難，且它在962.85℃時(shí)為氣體;而FeO在高溫情況下容易變?yōu)镕e3O4，對(duì)運(yùn)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(duì)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(duì)此技術(shù)的關(guān)注;西班牙國(guó)家煤炭研究所在基于鈣基循環(huán)吸收CO2過程的實(shí)現(xiàn)等方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。

　　AbanadesJC等通過實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(huì)產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象，厚度加大，因此該公式對(duì)于多次循環(huán)吸收具有一定的局限性。

　　ChenZX等對(duì)白云石和石灰石做了相關(guān)研究，對(duì)鈣基吸收劑吸收CO2的性能做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，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(duì)反應(yīng)特性做前處理更有利于CO2的吸收，但是對(duì)試劑的磨損程度較為嚴(yán)重。

　　ShimizuT等提出了雙流化床循環(huán)吸收CO2，對(duì)CaO進(jìn)行了循環(huán)利用，從而節(jié)省了運(yùn)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(duì)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(guó)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(duì)CO2的捕獲技術(shù)作為一種便捷的、高效率的有效補(bǔ)充措施應(yīng)用而生。

　　3、雙流化床技術(shù)及鈣基吸收CO2的原理和特點(diǎn)

　　3.1雙流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)原理

　　生物質(zhì)氣化是氣化劑在高溫條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?CO、H2、CH4等)的過程。

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，應(yīng)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(jī)等動(dòng)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：

　　圖1雙流化床生物質(zhì)氣化原理

　　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(yīng)并釋放出熱量，生成的合成氣經(jīng)過高溫旋風(fēng)分離器進(jìn)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(jìn)入燃燒爐燃燒放出熱量，從而實(shí)現(xiàn)了熱量的循環(huán)利用。

　　3.2雙流化床技術(shù)的特點(diǎn)

　　雙流化床氣化爐裝置將生物質(zhì)燃燒和氣化過程分開進(jìn)行，且兩個(gè)過程之間不會(huì)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(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，提高了系統(tǒng)運(yùn)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(jì)、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(yīng)過程中無(wú)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(yīng)器時(shí)，CaO中大量的小孔吸收CO2并生成CaCO3，從而達(dá)到了循環(huán)吸收CO2的目的。

　　4.1CaO吸收CO2的特點(diǎn)

　　高溫循環(huán)的煅燒，將CaO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)的進(jìn)行，CaO結(jié)構(gòu)的改變程度趨于穩(wěn)定，從而對(duì)吸收CO2的能力造成的影響緩慢減弱;產(chǎn)生的燒結(jié)開始凝聚，聚集成大顆粒，阻礙對(duì)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(shù)是朝著降低運(yùn)行費(fèi)用和投資成本發(fā)展的，Ca/B對(duì)CaO吸收CO2的效率有很大的影響，CaO轉(zhuǎn)化率對(duì)CO2的吸收性能也有較大影響。當(dāng)選取合理的CaO粒徑范圍，若其粒徑對(duì)氣化反應(yīng)造成的影響可忽略不計(jì)，此時(shí)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(yùn)行費(fèi)用。氣化反應(yīng)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(jìn)入燃燒反應(yīng)器;在燃燒反應(yīng)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(yīng)器。

　　5、結(jié)束語(yǔ)

　　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(dòng)和操作的難度。雙流化床氣化技術(shù)產(chǎn)生的可燃?xì)鉂舛雀摺嶂递^高、含氮量低和焦油含量低等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。如果操作不當(dāng)，溫度過高，則易發(fā)生結(jié)焦;此外，雙流化床技術(shù)和成本要求高，技術(shù)的成熟性和經(jīng)濟(jì)可行性都需要在以后的發(fā)展中進(jìn)一步解決。

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