流化床生物質(zhì)干燥與燃燒技術(shù)研究進(jìn)展

牛志尊

摘要：近年來，流化床技術(shù)得到迅速的發(fā)展，同時(shí)大大推動(dòng)了生物質(zhì)能的開發(fā)與利用。本文以流化床技術(shù)為背景，綜述了與生物質(zhì)能利用密切相關(guān)的幾項(xiàng)新技術(shù)的研究現(xiàn)狀，包括流化床生物質(zhì)干燥技術(shù)、流化床爐生物質(zhì)燃燒技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)。最后，指出了流化床生物質(zhì)干燥與燃燒技術(shù)研究的不足和發(fā)展方向，對未來流化床生物質(zhì)開發(fā)技術(shù)的研究方法和研究內(nèi)容進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：生物；技術(shù)研究

一、流化床技術(shù)與生物質(zhì)能簡述

1.1流化床

流態(tài)化（Fluidization）是指當(dāng)流體自下而上通過固體顆粒物料層時(shí)，由于動(dòng)量傳遞使物料顆粒彼此分離并懸浮在流體中，形成的一種具有流體屬性的特殊狀態(tài)，床層呈現(xiàn)流態(tài)化的設(shè)備稱為流化床（沸騰床）。不同的流體流速會(huì)使床層產(chǎn)生不同的流化狀態(tài)，據(jù)此又可以細(xì)分為散式流化床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床、氣力輸送床等。流化床技術(shù)最早應(yīng)用于化工與冶金領(lǐng)域，之后被廣泛地應(yīng)用在燃燒、干燥、氣化、催化合成等方面。由于傳熱性能好、環(huán)保節(jié)能、溫度均勻穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被稱為新高效的潔凈環(huán)保技術(shù)，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，近年來得到了很大的發(fā)展。

1.2生物質(zhì)能

生物質(zhì)是來源于生物體的有機(jī)物質(zhì)，是生物質(zhì)能的載體。生物質(zhì)能來源與生物體直接或間接通過綠色植物固定的太陽能，生活中最常見的能源之一。生物質(zhì)能儲(chǔ)量驚人、成本低廉，是一種應(yīng)用廣泛的可再生能源。植物秸稈、林業(yè)肥料、生活垃圾等都是重要的生物質(zhì)能源。由于有機(jī)物來自于綠色植物，因此生物質(zhì)能在使用的過程中具有碳中性的特點(diǎn)，由于環(huán)境和能源的雙重壓力，開發(fā)與利用生物質(zhì)能稱為各國的普遍共識(shí)，發(fā)展生物質(zhì)能技術(shù)，對建設(shè)生態(tài)文明、緩解能源壓力都有重要的作用。

生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用方法包括：物理轉(zhuǎn)化（固化）、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化（燃燒、液化、氣化等）、生物轉(zhuǎn)化（發(fā)酵等）三類。我國每年產(chǎn)生的秸稈超過9億噸，生活垃圾超過2億噸[1]，其中絕大部分無法得到有效的利用，反而被丟棄稱[2]為新的污染源。生物質(zhì)因其水分大、熱值較低、多種材料混雜的特點(diǎn)難以有效的利用，流化床技術(shù)的發(fā)展很好的解決了這一問題。能夠直接處理復(fù)雜物料流化床爐能夠很好的處理生物質(zhì)材料，使生物質(zhì)能的利用得到了快速的發(fā)展。

目前工業(yè)廣泛應(yīng)用的生物質(zhì)流化床處理技術(shù)包括：流化床生物質(zhì)干燥、流化床爐燃燒與流化床生物質(zhì)氣化等。本文將從這三個(gè)方面介紹流化床技術(shù)與生物質(zhì)能相結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)現(xiàn)狀，為兩項(xiàng)技術(shù)未來的發(fā)展提供指導(dǎo)。

二、流化床生物質(zhì)干燥技術(shù)研究進(jìn)展

上文提到，生物質(zhì)原料在實(shí)際應(yīng)用中存在含水率高、吸濕性強(qiáng)、密度低、能量密度低、含氧量高等缺點(diǎn)，造成了能源化效率低、產(chǎn)品附加值低的問題。因此在利用前需要采用干燥預(yù)處理來改善上述問題。目前工程中使用較多的是堆積爐在空氣或氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱烘焙。氮?dú)夥諊氖褂脮?huì)明顯增加生物質(zhì)燃料的成本，空氣環(huán)境可能會(huì)造成可燃?xì)怏w的溢出，造成能源浪費(fèi)并降低燃料品質(zhì)。流化床技術(shù)憑借其半封閉的結(jié)構(gòu)和極高的熱效率，能夠很好的契合干燥與燃燒生物質(zhì)材料的任務(wù)，受到了廣泛地研究與關(guān)注。

20世紀(jì)60年代，隨著流化床技術(shù)在工業(yè)上的普及，研究人員開始將該技術(shù)應(yīng)用于干燥領(lǐng)域，研制出了流化床干燥設(shè)備。從普通的流化床干燥器、到臥式流化床干燥器、脈沖流化床干燥器、離心流化床干燥器、熱泵式流化床干燥器、離心-流化床組合式干燥器等。延伸了干燥材料的種類，提高了設(shè)備強(qiáng)度，優(yōu)化了傳熱強(qiáng)度。其中，20世紀(jì)80年代發(fā)明的振動(dòng)式流化床（VFB）干燥設(shè)備是流化床生物質(zhì)干燥技術(shù)的重大進(jìn)展[3]。振動(dòng)流化床是指在輸送物料的同時(shí)施加振動(dòng)，使物料在很低的流速下也能均勻流化，更適合處理形狀大小不規(guī)則的生物質(zhì)材料，是目前應(yīng)用最廣泛的流化床干燥設(shè)備。熱泵式及噴霧-流化床組合式流化床干燥技術(shù)是近年來發(fā)展出的新技術(shù)，具有熱效率高、干燥溫度低、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。

國內(nèi)外的學(xué)者對流化床生物質(zhì)干燥技術(shù)進(jìn)行了大量研究。1938年在美國用于干燥白云石的單層流化床干燥器是最早投入實(shí)用的流化床干燥設(shè)備。十九世紀(jì)六十年代，蘇聯(lián)的Gelperin團(tuán)隊(duì)提出了離心式流化床（CFB）的概念，并由美國的D.F.Farkas課題組和Brown課題組應(yīng)用到了食物研究上[4]。在干燥理論研究方面，研究干燥過程最常用的模型是Luikov理論和Whitaker理論。八十年代初M.Khalid的課題組研究了有攪拌裝置的流化床干燥器的干燥特性與流體動(dòng)力學(xué)，得出了在不同參數(shù)下熱傳遞系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式。Ringer等人（1983）[5]對VFB的干燥過程和傳熱機(jī)理進(jìn)行了研究，建立了換熱模型。2004年，Roman課題組通過數(shù)值模擬研究了噴動(dòng)流化床的干燥特性，建立了干燥的傳質(zhì)過程過程與流體動(dòng)力學(xué)之間的聯(lián)系。Srisang（2015）研究了糙米在流化床干燥器中的干燥特性，并探討了了應(yīng)力對傳熱傳質(zhì)的影響。Khanali等人給出了研究稻谷在不同溫度下的干燥特性活化能與熱擴(kuò)散系數(shù)的方法。

我國在該學(xué)科的研究起步較早，并很快處在世界先進(jìn)的行列。徐圣言課題組（1992）[6]研究了噴動(dòng)流化床干燥技術(shù)。1999年，凌毅等基于兩相流模型，針對濕度大，易皺縮，大顆粒物料的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了干燥胡蘿卜的研究，對流化床干燥過程中的溫度曲線和干燥速率進(jìn)行了計(jì)算，在考慮形變的條件下，和實(shí)驗(yàn)值很好的吻合。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的曹崇文教授通過計(jì)算機(jī)模擬分析了谷物的干燥過程，參與了谷物干燥設(shè)備與模擬軟件的開發(fā)。2004年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的袁長明采用振動(dòng)流化床干燥器進(jìn)行了玉米的干燥實(shí)驗(yàn)，并分析了風(fēng)速對干燥速率的影響。2006年，張國芳進(jìn)行了秸稈的等溫干燥實(shí)驗(yàn)，對曲線進(jìn)行模擬，對干燥速率進(jìn)行各因素的偏相關(guān)分析。牛海霞等（2010）[7]通過過熱蒸汽流化床和雙流體理論，建立了描述油菜籽在其中運(yùn)動(dòng)規(guī)律與干燥過程的二維數(shù)學(xué)模型。2016年，西南科技大學(xué)張建平[8]等基于斐克定律與阿倫尼烏茲方程研究了油菜籽流化床干燥時(shí)的水分?jǐn)U散規(guī)律，并證明了布風(fēng)板結(jié)構(gòu)對于流化床干燥速率、能耗、失水比等因素的影響。

三、流化床爐生物質(zhì)燃燒技術(shù)研究進(jìn)展

直接燃燒是將生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化成能源最直接的方式，簡便可行且價(jià)格低廉，是目前應(yīng)用最廣的利用生物質(zhì)能源的方式。一般的燃燒技術(shù)因?yàn)樯镔|(zhì)材料含氧量大，灰分熔點(diǎn)低等特點(diǎn)燃燒效率普遍不高，造成了大量的污染和能源浪費(fèi)。目前，采用循環(huán)流化床爐（CFB）燃燒生物質(zhì)，能充分發(fā)揮其燃燒時(shí)間長、熱強(qiáng)度高、能直接燃燒低熱值燃料及不同特性燃料等優(yōu)勢。因此，循環(huán)流化床技術(shù)被認(rèn)為是開發(fā)生物質(zhì)燃料最有前途的技術(shù)之一。

流化床鍋爐設(shè)備主要分為鼓泡流化床鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐兩種。鼓泡流化床爐是流速相對較低氣-固流化床鍋爐，具有物料密度大，熱容量大，能夠適用各種燃料的特點(diǎn)。相對于循環(huán)式流化床爐，鼓泡爐結(jié)構(gòu)相對簡單，投資和運(yùn)營成本低。但也有鍋爐容量較小，熱負(fù)荷面積較小，管道損耗嚴(yán)重，粉塵排放量大的缺點(diǎn)。循環(huán)式流化床爐是近年來在鼓泡式流化床技術(shù)上發(fā)展出來的。在高速流化床中，因?yàn)榱魍ㄋ俣雀哂谖锪洗党鏊俣龋锪蠒?huì)被帶出流化床，因此需要通過分[9]離與回收將物料送回，因此得名。循環(huán)式流化床爐技術(shù)是一項(xiàng)低成本、高效的新型燃燒技術(shù)。其燃燒效率高，材料適用性廣，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，污染小，肥料便于回收處理。因而逐漸取代了鼓泡流化床爐，在生物質(zhì)資源利用技術(shù)成熟的歐美國家被廣泛地應(yīng)用在生物質(zhì)電場與化工廠中。

循環(huán)流化床技術(shù)的研究始于德國，1970年，德國Lurgi公司首先申請了循環(huán)流化床爐（CFB）的專利，并于1979年在芬蘭第一次投入商業(yè)使用。目前，CFB技術(shù)的發(fā)展趨勢是大型化，超臨界化，即內(nèi)部壓力高于臨界點(diǎn)壓力的鍋爐設(shè)備，以此規(guī)模化、集中化利用生物質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。2009年，由Foster Wheeler公司研發(fā)的世界首臺(tái)超臨界CFB鍋爐在波蘭Lagisza投入使用。我國是目前循環(huán)式流化床爐裝機(jī)容量最大的國家，1988年，我國第一臺(tái)循環(huán)式流化床爐投入使用，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，我國目前已經(jīng)有實(shí)力設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的各類流化床鍋爐。以清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院工熱研究所、西安熱工院等高校研究所為中心，企業(yè)贊助，建成了許多世界先進(jìn)的流化床鍋爐實(shí)驗(yàn)室。如杭州能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專攻大型循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)與開發(fā)。浙江大學(xué)許霖杰等人（2017）[10]進(jìn)行了超/超臨界循環(huán)式流化床鍋爐的整體數(shù)值模擬研究，并采用工質(zhì)建模的方法，對受熱面進(jìn)行了改進(jìn)。2014年，清華大學(xué)向柏祥[11]等人設(shè)計(jì)了一種100MWe再熱生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐，對煙氣酸露點(diǎn)的影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬。實(shí)際工程應(yīng)用方面，東方鍋爐廠、上海鍋爐廠、哈爾濱鍋爐廠三家占據(jù)了我國裝機(jī)容量份額的八成以上，并分別完成則600MW以上超臨界循環(huán)流化鍋爐的設(shè)計(jì)，使我國的CFB鍋爐不管在總量還是技術(shù)都走在世界的前列。

四、流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)研究進(jìn)展

生物質(zhì)氣化屬于生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用的化學(xué)方面，是指生物質(zhì)燃料在高溫下與氣化劑反應(yīng)轉(zhuǎn)化為小分子氣體燃料的過程。生物質(zhì)氣化的過程包括熱解、氧化和還原部分，生成的產(chǎn)物只有燃?xì)狻⒒覡a和少量其他氣體，既便于集中處理，又便于儲(chǔ)存輸運(yùn)，是一種理想的生物質(zhì)能利用形式，有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

生物質(zhì)氣化的關(guān)鍵是氣化反應(yīng)器，與煤炭氣化過程類似，氣化器也可以分為固定床氣化器與流化床氣化器兩種，其中流化床氣化器約占所有氣化器總量的四分之一。在流化床氣化器中，一般采用惰性物料（如石英砂等）作為流化介質(zhì)，具有氣化性好反應(yīng)均勻、速度快、操作溫度低等優(yōu)點(diǎn)。能夠更好地氣化低品位的生物質(zhì)材料，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，初投資成本高，在大規(guī)模化工操作中使用較多。

學(xué)者們研究生物質(zhì)氣化技術(shù)已經(jīng)有上百年的歷史，早期的生物質(zhì)氣化技術(shù)與煤炭氣化技術(shù)是共同起步的，部分成果來源于煤炭氣化技術(shù)的技術(shù)突破。美國從二十世紀(jì)七十年代開始獨(dú)立研究生物質(zhì)裂解氣化技術(shù)。就是九十年代，循環(huán)式流化床技術(shù)的發(fā)展為氣化設(shè)備的大型化提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。在歐美國家，很多許多生物質(zhì)發(fā)電廠開始以生物質(zhì)燃?xì)庾鳛槟茉础Ｈ毡镜腒entaro等人（2010）將木質(zhì)部生物質(zhì)在高溫下與空氣反應(yīng)，生產(chǎn)高含量的氫氣燃料。并證明了氣體成分與反應(yīng)溫度有密切的關(guān)系。印度賈達(dá)普大學(xué)的Loha課題組（2014）對循環(huán)式流化床生物質(zhì)氣化設(shè)備進(jìn)行了三維的數(shù)值模擬，建模分析了氣化過程中的質(zhì)量與流量分布，為研究生物質(zhì)氣化的機(jī)理、物性等打下了基礎(chǔ)。

近年來，我國生物質(zhì)流化床氣化的研究也有了長足的進(jìn)步。天津大學(xué)的劉方金等研究了生物質(zhì)循環(huán)流化床的氣化過程以及催化熱解與制氫的方法。西安交通大學(xué)的吳創(chuàng)之課題（1995）組研究了超臨界狀態(tài)下催化氣化生物質(zhì)制備燃?xì)獾姆椒ǎ迦A大學(xué)王衛(wèi)等（2002）進(jìn)行了生物質(zhì)流化床的熱分解實(shí)驗(yàn)。中科大等離子體研究所研究了臨界狀態(tài)下生物質(zhì)等離子氣化及合成的機(jī)理。華北理工大學(xué)的張巍巍等人（2007）利用Aspen Plus軟件模擬了生物質(zhì)材料流化床熱解的模擬，并分析了焦化氣體與生物質(zhì)的協(xié)同反應(yīng)。[12]相比于干燥與燃燒過程，生物質(zhì)氣化反應(yīng)機(jī)理更加復(fù)雜，受實(shí)驗(yàn)條件等條件的限制，現(xiàn)在對于生物質(zhì)氣化的研究多為單變量分析，難以預(yù)測多因素共同作用下的反應(yīng)過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也缺乏理論指導(dǎo)，需要多學(xué)科結(jié)合進(jìn)一步的研究分析。

結(jié)語：

對采用流化床技術(shù)處理生物質(zhì)能的幾種技術(shù)進(jìn)行了綜述。可以看出，流化床生物質(zhì)干燥與燃燒技術(shù)有著良好的發(fā)展趨勢和廣闊的研究前景。目前關(guān)于生物質(zhì)干燥與燃燒的技術(shù)取得了一定的研究成果，流化床技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了生物質(zhì)能源的利用與開發(fā)。但仍有很多需要解決和研究的問題。如生物質(zhì)在流化床設(shè)備內(nèi)的反應(yīng)機(jī)理無法很好的解釋，部分實(shí)驗(yàn)缺乏理論指導(dǎo)，各理化性質(zhì)間的相互作用，流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)大型化、集成化等。未來的研究應(yīng)積極與最近的理論和設(shè)備相結(jié)合，讓新理論、新成果為工程實(shí)際提供指導(dǎo)。

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作者簡介：牛志（1997.07---）男，漢族，安徽宿州人，本科在讀，江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，研究方向：暖通空調(diào)。

（作者單位：江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）