雙流化床生物質氣化及CO₂捕獲的發展現狀

韓昌文

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

關鍵詞：雙流化床;生物質;氣化;CO2捕獲

中圖分類號：TQ031 文獻標志碼：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

生物質包括農林廢棄物、城市和工業有機廢氣物、動物糞便、植物等。生物質能具有可再生性、資源豐富，清潔、低污染性、CO2零排放特性，資源分布廣、產量大，低單位質量熱值、低能量密度的優勢，具有很大的發展潛能。

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

2 雙流化床生物質氣化及CO2捕獲的發展現狀

2.1 雙流化床生物質氣化的發展狀況

生物質氣化技術始于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，產生的燃氣品質更高。

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到高速區的單向流動，對提高燃料停留時間和燃氣品質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定的物料傳遞量。

2.2 鈣基吸收劑循環吸收CO2的發展狀況

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，經過對比，發現目前CaO的吸收效率和經濟效益是最好的;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為Fe3O4，對運行成本和循環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吸收CO2過程的實現等方面做出了巨大的貢獻。

Abanades J C等通過實驗總結出一公式來表述CaO循環吸收CO2的性能。研究經過多次循環實驗后，發現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;但是隨著循環次數的增多，CaO表面會產生燒結現象，厚度加大，因此該公式對于多次循環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，在進行了許多次數的循環，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。結果顯示隨著循環次數的增加，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。

Shimizu T等提出了雙流化床循環吸收CO2，對CaO進行了循環利用，從而節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，各國大力提倡節約能源，以減少CO2的排放量，已經取得了一定的成果。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。