流化床生物质干燥与燃烧技术研究进展

2018-06-17牛志尊

科学与技术 2018年27期

牛志尊

摘要：近年来，流化床技术得到迅速的发展，同时大大推动了生物质能的开发与利用。本文以流化床技术为背景，综述了与生物质能利用密切相关的几项新技术的研究现状，包括流化床生物质干燥技术、流化床炉生物质燃烧技术、生物质气化技术。最后，指出了流化床生物质干燥与燃烧技术研究的不足和发展方向，对未来流化床生物质开发技术的研究方法和研究内容进行展望。

关键词：生物；技术研究

一、流化床技术与生物质能简述

1.1流化床

流态化（Fluidization）是指当流体自下而上通过固体颗粒物料层时，由于动量传递使物料颗粒彼此分离并悬浮在流体中，形成的一种具有流体属性的特殊状态，床层呈现流态化的设备称为流化床（沸腾床）。不同的流体流速会使床层产生不同的流化状态，据此又可以细分为散式流化床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床、气力输送床等。流化床技术最早应用于化工与冶金领域，之后被广泛地应用在燃烧、干燥、气化、催化合成等方面。由于传热性能好、环保节能、温度均匀稳定等优点，被称为新高效的洁净环保技术，受到国内外学者的广泛关注，近年来得到了很大的发展。

1.2生物质能

生物质是来源于生物体的有机物质，是生物质能的载体。生物质能来源与生物体直接或间接通过绿色植物固定的太阳能，生活中最常见的能源之一。生物质能储量惊人、成本低廉，是一种应用广泛的可再生能源。植物秸秆、林业肥料、生活垃圾等都是重要的生物质能源。由于有机物来自于绿色植物，因此生物质能在使用的过程中具有碳中性的特点，由于环境和能源的双重压力，开发与利用生物质能称为各国的普遍共识，发展生物质能技术，对建设生态文明、缓解能源压力都有重要的作用。

生物质能的转化利用方法包括：物理转化（固化）、热化学转化（燃烧、液化、气化等）、生物转化（发酵等）三类。我国每年产生的秸秆超过9亿吨，生活垃圾超过2亿吨[1]，其中绝大部分无法得到有效的利用，反而被丢弃称[2]为新的污染源。生物质因其水分大、热值较低、多种材料混杂的特点难以有效的利用，流化床技术的发展很好的解决了这一问题。能够直接处理复杂物料流化床炉能够很好的处理生物质材料，使生物质能的利用得到了快速的发展。

目前工业广泛应用的生物质流化床处理技术包括：流化床生物质干燥、流化床炉燃烧与流化床生物质气化等。本文将从这三个方面介绍流化床技术与生物质能相结合的发展现状，总结现状，为两项技术未来的发展提供指导。

二、流化床生物质干燥技术研究进展

上文提到，生物质原料在实际应用中存在含水率高、吸湿性强、密度低、能量密度低、含氧量高等缺点，造成了能源化效率低、产品附加值低的问题。因此在利用前需要采用干燥预处理来改善上述问题。目前工程中使用较多的是堆积炉在空气或氮气气氛下进行热烘焙。氮气氛围的使用会明显增加生物质燃料的成本，空气环境可能会造成可燃气体的溢出，造成能源浪费并降低燃料品质。流化床技术凭借其半封闭的结构和极高的热效率，能够很好的契合干燥与燃烧生物质材料的任务，受到了广泛地研究与关注。

20世纪60年代，随着流化床技术在工业上的普及，研究人员开始将该技术应用于干燥领域，研制出了流化床干燥设备。从普通的流化床干燥器、到卧式流化床干燥器、脉冲流化床干燥器、离心流化床干燥器、热泵式流化床干燥器、离心-流化床组合式干燥器等。延伸了干燥材料的种类，提高了设备强度，优化了传热强度。其中，20世纪80年代发明的振动式流化床（VFB）干燥设备是流化床生物质干燥技术的重大进展[3]。振动流化床是指在输送物料的同时施加振动，使物料在很低的流速下也能均勻流化，更适合处理形状大小不规则的生物质材料，是目前应用最广泛的流化床干燥设备。热泵式及喷雾-流化床组合式流化床干燥技术是近年来发展出的新技术，具有热效率高、干燥温度低、成本低廉的优点，已经逐步投入实际生产应用。

国内外的学者对流化床生物质干燥技术进行了大量研究。1938年在美国用于干燥白云石的单层流化床干燥器是最早投入实用的流化床干燥设备。十九世纪六十年代，苏联的Gelperin团队提出了离心式流化床（CFB）的概念，并由美国的D.F.Farkas课题组和Brown课题组应用到了食物研究上[4]。在干燥理论研究方面，研究干燥过程最常用的模型是Luikov理论和Whitaker理论。八十年代初M.Khalid的课题组研究了有搅拌装置的流化床干燥器的干燥特性与流体动力学，得出了在不同参数下热传递系数的经验式。Ringer等人（1983）[5]对VFB的干燥过程和传热机理进行了研究，建立了换热模型。2004年，Roman课题组通过数值模拟研究了喷动流化床的干燥特性，建立了干燥的传质过程过程与流体动力学之间的联系。Srisang（2015）研究了糙米在流化床干燥器中的干燥特性，并探讨了了应力对传热传质的影响。Khanali等人给出了研究稻谷在不同温度下的干燥特性活化能与热扩散系数的方法。

我国在该学科的研究起步较早，并很快处在世界先进的行列。徐圣言课题组（1992）[6]研究了喷动流化床干燥技术。1999年，凌毅等基于两相流模型，针对湿度大，易皱缩，大颗粒物料的经验公式进行了干燥胡萝卜的研究，对流化床干燥过程中的温度曲线和干燥速率进行了计算，在考虑形变的条件下，和实验值很好的吻合。中国农业大学的曹崇文教授通过计算机模拟分析了谷物的干燥过程，参与了谷物干燥设备与模拟软件的开发。2004年，中国农业大学的袁长明采用振动流化床干燥器进行了玉米的干燥实验，并分析了风速对干燥速率的影响。2006年，张国芳进行了秸秆的等温干燥实验，对曲线进行模拟，对干燥速率进行各因素的偏相关分析。牛海霞等（2010）[7]通过过热蒸汽流化床和双流体理论，建立了描述油菜籽在其中运动规律与干燥过程的二维数学模型。2016年，西南科技大学张建平[8]等基于斐克定律与阿伦尼乌兹方程研究了油菜籽流化床干燥时的水分扩散规律，并证明了布风板结构对于流化床干燥速率、能耗、失水比等因素的影响。

三、流化床炉生物质燃烧技术研究进展

直接燃烧是将生物质材料转化成能源最直接的方式，简便可行且价格低廉，是目前应用最广的利用生物质能源的方式。一般的燃烧技术因为生物质材料含氧量大，灰分熔点低等特点燃烧效率普遍不高，造成了大量的污染和能源浪费。目前，采用循环流化床炉（CFB）燃烧生物质，能充分发挥其燃烧时间长、热强度高、能直接燃烧低热值燃料及不同特性燃料等优势。因此，循环流化床技术被认为是开发生物质燃料最有前途的技术之一。

流化床锅炉设备主要分为鼓泡流化床锅炉和循环流化床锅炉两种。鼓泡流化床炉是流速相对较低气-固流化床锅炉，具有物料密度大，热容量大，能够适用各种燃料的特点。相对于循环式流化床炉，鼓泡炉结构相对简单，投资和运营成本低。但也有锅炉容量较小，热负荷面积较小，管道损耗严重，粉尘排放量大的缺点。循环式流化床炉是近年来在鼓泡式流化床技术上发展出来的。在高速流化床中，因为流通速度高于物料吹出速度，物料会被带出流化床，因此需要通过分[9]离与回收将物料送回，因此得名。循环式流化床炉技术是一项低成本、高效的新型燃烧技术。其燃烧效率高，材料适用性广，负荷调节范围大，污染小，肥料便于回收处理。因而逐渐取代了鼓泡流化床炉，在生物质资源利用技术成熟的欧美国家被广泛地应用在生物质电场与化工厂中。

循环流化床技术的研究始于德国，1970年，德国Lurgi公司首先申请了循环流化床炉（CFB）的专利，并于1979年在芬兰第一次投入商业使用。目前，CFB技术的发展趋势是大型化，超临界化，即内部压力高于临界点压力的锅炉设备，以此规模化、集中化利用生物质资源，实现节能环保。2009年，由Foster Wheeler公司研发的世界首台超临界CFB锅炉在波兰Lagisza投入使用。我国是目前循环式流化床炉装机容量最大的国家，1988年，我国第一台循环式流化床炉投入使用，经过三十多年的发展，我國目前已经有实力设计、开发、制造具有自主知识产权的各类流化床锅炉。以清华大学、浙江大学、中科院工热研究所、西安热工院等高校研究所为中心，企业赞助，建成了许多世界先进的流化床锅炉实验室。如杭州能源清洁利用国家重点实验室专攻大型循环流化床锅炉的设计与开发。浙江大学许霖杰等人（2017）[10]进行了超/超临界循环式流化床锅炉的整体数值模拟研究，并采用工质建模的方法，对受热面进行了改进。2014年，清华大学向柏祥[11]等人设计了一种100MWe再热生物质循环流化床锅炉，对烟气酸露点的影响因素进行了数值模拟。实际工程应用方面，东方锅炉厂、上海锅炉厂、哈尔滨锅炉厂三家占据了我国装机容量份额的八成以上，并分别完成则600MW以上超临界循环流化锅炉的设计，使我国的CFB锅炉不管在总量还是技术都走在世界的前列。

四、流化床生物质气化技术研究进展

生物质气化属于生物质能转化利用的化学方面，是指生物质燃料在高温下与气化剂反应转化为小分子气体燃料的过程。生物质气化的过程包括热解、氧化和还原部分，生成的产物只有燃气、灰烬和少量其他气体，既便于集中处理，又便于储存输运，是一种理想的生物质能利用形式，有巨大的发展潜力。

生物质气化的关键是气化反应器，与煤炭气化过程类似，气化器也可以分为固定床气化器与流化床气化器两种，其中流化床气化器约占所有气化器总量的四分之一。在流化床气化器中，一般采用惰性物料（如石英砂等）作为流化介质，具有气化性好反应均匀、速度快、操作温度低等优点。能够更好地气化低品位的生物质材料，但其结构较复杂，初投资成本高，在大规模化工操作中使用较多。

学者们研究生物质气化技术已经有上百年的历史，早期的生物质气化技术与煤炭气化技术是共同起步的，部分成果来源于煤炭气化技术的技术突破。美国从二十世纪七十年代开始独立研究生物质裂解气化技术。就是九十年代，循环式流化床技术的发展为气化设备的大型化提供了很好的技术基础。在欧美国家，很多许多生物质发电厂开始以生物质燃气作为能源。日本的Kentaro等人（2010）将木质部生物质在高温下与空气反应，生产高含量的氢气燃料。并证明了气体成分与反应温度有密切的关系。印度贾达普大学的Loha课题组（2014）对循环式流化床生物质气化设备进行了三维的数值模拟，建模分析了气化过程中的质量与流量分布，为研究生物质气化的机理、物性等打下了基础。

近年来，我国生物质流化床气化的研究也有了长足的进步。天津大学的刘方金等研究了生物质循环流化床的气化过程以及催化热解与制氢的方法。西安交通大学的吴创之课题（1995）组研究了超临界状态下催化气化生物质制备燃气的方法，清华大学王卫等（2002）进行了生物质流化床的热分解实验。中科大等离子体研究所研究了临界状态下生物质等离子气化及合成的机理。华北理工大学的张巍巍等人（2007）利用Aspen Plus软件模拟了生物质材料流化床热解的模拟，并分析了焦化气体与生物质的协同反应。[12]相比于干燥与燃烧过程，生物质气化反应机理更加复杂，受实验条件等条件的限制，现在对于生物质气化的研究多为单变量分析，难以预测多因素共同作用下的反应过程，实验结果也缺乏理论指导，需要多学科结合进一步的研究分析。

结语：

对采用流化床技术处理生物质能的几种技术进行了综述。可以看出，流化床生物质干燥与燃烧技术有着良好的发展趋势和广阔的研究前景。目前关于生物质干燥与燃烧的技术取得了一定的研究成果，流化床技术的进步推动了生物质能源的利用与开发。但仍有很多需要解决和研究的问题。如生物质在流化床设备内的反应机理无法很好的解释，部分实验缺乏理论指导，各理化性质间的相互作用，流化床锅炉的结构大型化、集成化等。未来的研究应积极与最近的理论和设备相结合，让新理论、新成果为工程实际提供指导。

参考文献

[1]马隆龙，唐志华，汪丛伟，孙永明，吕雪峰，陈勇.生物质能研究现状及未来发展策略[J].中国科学院院刊，2019（04）：434-442.

[2]卢卫. 生物质干燥系统的优化与节能研究[D].天津科技大学，2016.

[3]徐惠斌. 生物质秸秆的燃烧特性仪器实验与NOx生成特性数值模拟[D].江苏大学，2009.

[4]张国芳. 流化床干燥生物质秸秆的实验研究[D].江苏大学，2008.

[5]毕学工，严渝镪.流化床技术及其在高炉炼铁中应用前景分析[J].鞍钢技术，2012（01）：1-5+34.

[6]张义亭.流化床技术与应用[J].内蒙古石油化工，2015，41（03）：122-123.

[7]刘方金. 生物质循环流化床气化过程分析及试验[D].天津大学，2007.

[8]张健平，赵周能.油菜籽流化床干燥水分扩散规律的实验研究[J].中国粮油学报，2018，33（08）：37-44.

[9]褚晓亮，苗阳，付玉玲，张玉斌，苗雨旺.流化床气化技术在我国的应用现状及发展前景[J].化学工程师，2014，28（01）：50-52.

[10]许霖杰. 超/超临界循环流化床锅炉数值模拟研究[D].浙江大学，2017.

[11]向柏祥. 100MWe再热生物质循环流化床锅炉开发[D].清华大学，2014.