牛志尊

摘要：近年來，流化床技術(shù)得到迅速的發(fā)展，同時大大推動了生物質(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，由于動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，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，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，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)原料在實際應(yīng)用中存在含水率高、吸濕性強、密度低、能量密度低、含氧量高等缺點，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氣氣氛下進(jìn)行熱烘焙。氮氣氛圍的使用會明顯增加生物質(zhì)燃料的成本，空氣環(huán)境可能會造成可燃?xì)怏w的溢出，造成能源浪費并降低燃料品質(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)備強度，優(yōu)化了傳熱強度。其中，20世紀(jì)80年代發(fā)明的振動式流化床（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]。振動流化床是指在輸送物料的同時施加振動，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，已經(jīng)逐步投入實際生產(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力學(xué)，得出了在不同參數(shù)下熱傳遞系數(shù)的經(jīng)驗式。Ringer等人（1983）[5]對VFB的干燥過程和傳熱機理進(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)行了計算，在考慮形變的條件下，和實驗值很好的吻合。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的曹崇文教授通過計算機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)的袁長明采用振動流化床干燥器進(jìn)行了玉米的干燥實驗，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驗，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動規(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)因為生物質(zhì)材料含氧量大，灰分熔點低等特點燃燒效率普遍不高，造成了大量的污染和能源浪費。目前，采用循環(huán)流化床爐（CFB）燃燒生物質(zhì)，能充分發(fā)揮其燃燒時間長、熱強度高、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。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。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，因為流通速度高于物料吹出速度，物料會被帶出流化床，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)部壓力高于臨界點壓力的鍋爐設(shè)備，以此規(guī)?；?、集中化利用生物質(zhì)資源，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。2009年，由Foster Wheeler公司研發(fā)的世界首臺超臨界CFB鍋爐在波蘭Lagisza投入使用。我國是目前循環(huán)式流化床爐裝機容量最大的國家，1988年，我國第一臺循環(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)有實力設(shè)計、開發(fā)、制造具有自主知識產(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)的流化床鍋爐實驗室。如杭州能源清潔利用國家重點實驗室專攻大型循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計與開發(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)計了一種100MWe再熱生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐，對煙氣酸露點的影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬。實際工程應(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，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)?、灰燼和少量其他氣體，既便于集中處理，又便于儲存輸運，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。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)?；げ僮髦惺褂幂^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?。日本的Kentaro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?，清華大學(xué)王衛(wèi)等（2002）進(jìn)行了生物質(zhì)流化床的熱分解實驗。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)機理更加復(fù)雜，受實驗條件等條件的限制，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，實驗結(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?？梢钥闯?，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)機理無法很好的解釋，部分實驗缺乏理論指導(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、新成果為工程實際提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1]馬隆龍，唐志華，汪叢偉，孫永明，呂雪峰，陳勇.生物質(zhì)能研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展策略[J].中國科學(xué)院院刊，2019（04）：434-442.

[2]盧衛(wèi). 生物質(zhì)干燥系統(tǒng)的優(yōu)化與節(jié)能研究[D].天津科技大學(xué)，2016.

[3]徐惠斌. 生物質(zhì)秸稈的燃燒特性儀器實驗與NOx生成特性數(shù)值模擬[D].江蘇大學(xué)，2009.

[4]張國芳. 流化床干燥生物質(zhì)秸稈的實驗研究[D].江蘇大學(xué)，2008.

[5]畢學(xué)工，嚴(yán)渝鏹.流化床技術(shù)及其在高爐煉鐵中應(yīng)用前景分析[J].鞍鋼技術(shù)，2012（01）：1-5+34.

[6]張義亭.流化床技術(shù)與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2015，41（03）：122-123.

[7]劉方金. 生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化過程分析及試驗[D].天津大學(xué)，2007.

[8]張健平，趙周能.油菜籽流化床干燥水分?jǐn)U散規(guī)律的實驗研究[J].中國糧油學(xué)報，2018，33（08）：37-44.

[9]褚曉亮，苗陽，付玉玲，張玉斌，苗雨旺.流化床氣化技術(shù)在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].化學(xué)工程師，2014，28（01）：50-52.

[10]許霖杰. 超/超臨界循環(huán)流化床鍋爐數(shù)值模擬研究[D].浙江大學(xué)，2017.

[11]向柏祥. 100MWe再熱生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐開發(fā)[D].清華大學(xué)，2014.

[12]吉恒松. 基于感應(yīng)加熱方法的流化床生物質(zhì)氣化試驗與模擬[D].江蘇大學(xué)，2014.

[13]雷廷宙，沈勝強，吳創(chuàng)之，李在峰，王華軍.玉米秸稈干燥特性的試驗研究[J].太陽能學(xué)報，2005（02）：224-227.

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)能源與動力工程學(xué)院）