0、前言
隨著全球能源與環境問題的日益凸顯，迫切地需要我們對生物質能源進行開發、研究和利用。生物質氣化技術將成為未來10至20年內最為可行的技術之一．同時也是國際上生物質能源研究的熱門方向。對于生物質氣化設備來說，目前世界上應用最廣泛的是固定床氣化爐。隨著科技的進步和技術的日趨成熟，歐美國家開始大力發展更為先進的循環流化床生物質氣化技術，各種新形式的循環流化床氣化裝置不斷涌現，其原料適應性更強，產氣熱值更高，生產能力和強度更大，調節范圍更廣。國內生物質氣化主要采用常壓固定床氣化爐，從20世紀90年代開始，中國科學院廣州能源研究所、浙江大學、中國科技大學和東南大學等單位逐步開展了對循環流化床氣化裝置的研究和應用。
1、流化床生物質氣化爐
應用于生物質氣化技術領域的循環流化床主要有外循環流化床，內循環流化床和雙流化床。
1.1外循環流億床生物質氣化爐
外循環流化床是最為常見的生物質氣化裝置。其循環回路主要包括爐膛，循環灰分離器和飛灰回送裝置．其裝置如圖l所示。外循環流化床的飛灰分離器布置在床外，灰分從爐膛溢出后經分離器分離后進人下降管，再經回料器回送至爐膛底部繼續流化。外循環流化床循環效率高，負荷易調節，床內無埋管。國外外循環流化床在生物質氣化領域的應用始于19世紀末，其技術較為成熟和完善，已經被廣泛應用于工業化生產。
德國Lurgi公司于1986年在奧地利Pols開發了世界上第一臺工業循環流化床氣化爐，氣化樹皮產生燃料氣；瑞典的Sydkraft AB公司于1996年建立了世界上第一座完整的使用木材作為燃料的IGCC氣化發電廠；意大利THERMIEENERGY FARM生物質示范電廠于2002年在Cascina建成，其均基于外循環流化床生物質氣化技術。
加拿大不列顛哥倫比亞大學與華中科技大學于2004年合作研究了外循環流化床中的生物質氣化過程，并得到了與實驗數據相吻合的平衡模型。
中國科學院廣州能源所從”六五”開始承擔相關國家研究課題，進行了許多循環流化床生物質氣化的研究，并于2007年來建造了5.5 MW生物質氣化聯合循環發電示范電站，山東省科學院能源研究所和中國科技大學的陳平等也分別對生物質外循環爐的熱電技術和實驗特性進行了研究。
1.2內循環流化床生物質氣化爐
內循環流化床是一種較新型式的流化設備。近年來在生物質氣化領域被逐漸采用，其主要通過非均勻布風來實現床內顆粒的大尺度內部循環，增強了物料橫向混合，延長了顆粒物料在床內的停留時間，并且有利于燃料在床內穩定、快速的燃燒，從而使床料的燃燒過程更穩定、充分。
Freedman和Merry首先提出了用不均勻布風來實現床內顆粒的大規模循環，并用液體進行了試驗。目前，國內外學者研究的內循環流化床主要有隔板式內循環流化床、錐形內循環流化床、提升管式內循環流化床和非均勻布風式內循環流化床。
1. 2.1隔板式內循環流化床
隔板式內循環流化床是近年來被廣泛研究并應用于生物質氣化領域的一種內循環流化床，該床利用隔板將反應器分為流化床和移動床，易控制顆粒的循環速率，從而調節燃燒裝置的負荷。
意大利的拉奎拉大學的Pier Ugo Foscolo等于2006年設計了一套隔板式內循環流化床生物質氣化冷模裝置并進行了冷態實驗，其試驗裝置如圖2，結果表明當床料量超過擋板上沿時顆粒循環開始發生，通過調節擋板的位置和氣體流速可以控制固體循環率。
中國科學院廣州能源研究所的原曉華，周肇秋，馬隆龍等從2005年開始對隔板式內循環流化床中生物質氣化過程進行實驗研究，分別采用稻殼和鋸末進行了熱模氣化實驗。
1.2.2錐形內循環流化床
錐形內循環流化床結構較為簡單，物料在提升管內進行反應后，進入放大段，由于氣速降低，曳力大大減弱，加上擋板的碰撞和攔截作用使其發生轉向和回落，從而沿壁回流至塔底濃相區，并再次被氣流裹挾向上運動，實現大部分顆粒的內循環。
中國林業科學研究院林產化學工業研究所于開發了內循環錐形流化床氣化爐用來進行秸稈富氧氣化實驗。但該項研究其它后續報道較少，其氣化裝置如圖3所示。
1.2.3提升管式內循環流化床
提升管式內循環流化床是在氣體噴嘴上設置提升管，頂部的“T”型管相當于分離器，有效地使顆粒分離落人床內，周圍的環形區域為下降段，顆粒由提升管底部進入管內，形成循環。目前對于提升管式內循環流化床用于生物質氣化方面的報道在國內外很少見。華南理工大學的Donglai Xie，C．JimLim對內循環流化床冷模制氫裝置內的氣固循環流動進行了研究，其裝置屬于提升管式內循環流化床，如圖4所示。
1.2.4非均勻開孔式內循環流化床
非均勻開孔式內循環流化床主要特點是只有1個風室，通過不同的開孔率來達到非均勻布風，內部結構簡單，對原料粒度要求低，多用于城市固體垃圾的焚燒，其作為生物質的熱解氣化設備也有一定的前景，但目前尚未有文獻報道。
1.3雙流化床生物質氣化爐
雙流化床氣化裝置主要是由兩級反應器組合而成，從而將生物質的燃燒和氣化過程相對分離開來，使熱解產生的可燃氣體不會被燃燒產生的煙氣所稀釋，因此可以得到純凈度更高的可燃氣體。
國外生物質雙流化氣化技術主要是在20世紀才開始逐步發展起來，美國，加拿大，奧地利，新西蘭，日本等許多國家在該項技術上較為領先，從目前已知文獻來看，最早提出雙流化床概念的是日本的D．Kunii博士，并于1975年建立了實驗裝置并著重關注了氣化區和燃燒區的完全密封。法國南希大學Deglise X等于1985年合作建立了小型的工業化裝置。
Battelle型流化床是美國Columbus OHrBattelle Memorial Institute研究中心于1 992年開發的多種固體流化床裝置(The multisolid flu-id bed)，美國國家可再生能源實驗室應用Battel-le雙流化床技術進行了煤一生物質流化床高壓聯合氣化的研究，并在弗蒙特州的柏林頓電站建立了氣化發電技術示范廠且運行良好。其氣化裝置如圖5所示。
1994年以來，奧地利維也納工業大學Hof-bauer等人采用雙流化床生物質氣化技術進行了一系列理論和實驗研究，并于2002年在澳大利亞建立了工業化實驗裝置，如圖6所示，同時其致力于使用水蒸氣進行生物質氣化的研究。據作者所知，新西蘭坎特伯雷大學Shusheng Pang教授與奧地利維也納工業大學合作，對該項技術作進一步的研究和完善，其實驗室已建成1座100 kW生物質蒸汽氣化爐試驗系統，并已成功運轉2年以上。根據近年來的報道，荷蘭也建立了一座名叫Milena的雙流化床生物質氣化工廠，目前已經投產，其裝置基本與Hofbauer提出的相同。
日本橫濱市石川島播磨重工業有限公司的Takahiro Murakami，Xu等人自2003年開始進行基礎性相關研究并設計了雙流化床氣化爐裝置，如圖7所示，該設備與維也納工業大學提出的反應裝置主要不同處在于床料分離循環過程。Xu等研究者于2008年提出了兩段式雙流化床氣化裝置( T-DFBG)，其裝置如圖8所示，該裝置主要應用兩段式氣化器代替鼓泡流化床氣化裝置，下段的反應情形類似鼓泡流化床，而上段的主要作用是濃縮下段產生的產品氣體并抑制可能發生的燃料顆粒的揚析，此裝置可能會提高氣化效率并降低產品氣中焦油的含量。
我國對雙流化床技術的研究目前還處在發展階段。浙江大學熱能工程研究所方夢祥等人在2003年開始對雙流化床物料循環系統進行了較為初步的實驗研究，并于近年建立了1 MW的雙流化床氣化裝置；中國科學院的呂清剛等也對雙流化床進行了設計及冷模實驗，但其主要針對是煤的氣化。
東南大學的沈來宏，高揚等人于2004年設計了1套雙流化床裝置，取名為串行流化床裝置，并在2009年對該裝置用于生物質氣化制氫進行了模擬及實驗研究，結果表明，燃燒反應器內燃燒煙氣不會串混至氣化反應器，該氣化技術能夠穩定連續地從氣化反應器獲得不含氮氣的高品質合成氣。
山東省科學院能源研究所的李松，范曉旭等于2009年發表關于雙流化床生物質氣化爐試驗研究成果，并進行了技術推廣。
2、幾類循環流化床氣化爐的對比及討論
表1中例舉了幾例應用循環流化床進行的生物質氣化實驗的數據。
不同形式的流化床氣化爐各自具有其特點。
外循環流化床：結構簡單，循環率較大，氣化強度較高，是目前生物質氣化工業應用中最為廣泛的循環流化床類型，由于煙氣的稀釋，其產氣的純度較雙流化床低，燃氣熱值在5 000 kj/m3左右，床內溫度通常在700℃—850℃間，因此需要外部添加一定量的輔助燃料，否則無法達到理想的產氣溫度。正常操作條件下不易發生結焦；產品氣中的焦油含量普遍高于雙流化床及內循環流化床的產氣；回料系統控制較難，容易發生下料的困難，返料量較低時容易變成低速攜帶床，這也是雙流化床運行中最主要的問題。
內循環流化床：通過非均勻布風，其內部流化工況中的橫向混合要強于其它循環床，結構也更為簡單，床內溫度一般在600℃～800℃之間，不易結焦，產氣的熱值和氫氣含量稍高于外循環流化床。通過研究報道，內循環流化床的穩定性和產氣質量均優于外循環流化床，且不需要擔心返料裝置的控制問題，是目前國內外研究的熱門課題。
雙流化床：雙流化床結構比另外2種循環流化床復雜。在上述3種循環流化床氣化裝置中其產氣純度最高、氫氣含量最高、熱值最高(通常為12Mj／M3—15 MJ／M3)。床內溫度通常在850℃～1 100℃間，操作不當情況下易發生結焦，產氣焦油量較少。由于燃燒段可為氣化段提供大量的能量，因此該系統需要輔助燃料的量小于外循環流化床。高溫運行不易達到穩定狀態。雙流化床氣化技術要求和研究成本都很高。目前雖然許多國家都進行了工業化的試運行和投產，但部分學者仍指出許多工業化的生物質氣化廠的運行是依靠政府的資金資助才得以維持，因此作者認為雙流化床生物質氣化設備的工業化不僅是科研問題，同時也是經濟問題。這些都需要在以后的研究當中進一步解決。
循環流化床鍋爐技術經過一個多世紀以來的發展已經趨于成熟和完善，但將其應用于生物質氣化卻是一項新興的課題，循環流化床相比于固定床，鼓泡流化床等更適合于生物質能利用的工業化。
可以看出，不同形式的循環流化床相比較，各有其優點和不足。作者認為，在今后的研究應用中，應繼續推廣并完善外循環流化床生物質氣化技術，同時積極開展對內循環流化床及雙流化床生物質氣化爐氣化技術的研究，使其能早日投入到規模化工業生產中去。
我國是一個農業大國，大力開發生物質氣化技術，研究新型氣化裝置，對緩解我國能源緊張的局勢有重要的作用，也符合我國國情，其將成為發展較快的新型產業之一，因此循環流化床生物質氣化裝置的應用具有良好的前景。
三門峽富通新能源生產銷售的生物質鍋爐，同時也出售生產生物質顆粒燃料的顆粒機、秸稈壓塊機、飼料顆粒機等機械設備。
