早在1798年,气化技术已在法国和英国出现。1921年德国的F.温克勒(Fritz Winkler)发现流态化现象,并开发了流化床气化反应器。20世纪70年代以后,各国加大对可再生能源的重视,研发了多种生物质流化床气化炉。中国生物质气化技术在80年代以后得到较快发展,90年代中期中国科学院广州能源研究所研制了流化床气化炉,并与内燃机结合组成了生物质气化发电系统。21世纪以来,流化床气化炉广泛应用于大规模气化工程中。
根据结构不同,流化床气化炉可分为鼓泡流化床气化炉、循环流化床气化炉和双流化床气化炉,各炉型工作原理见图。
a 鼓泡流化床气化炉 b 循环流化床气化炉 c 双流化床气化炉流化床气化炉各炉型工作原理图
在鼓泡流化床气化炉中,生物质由下部进料口加入,气化剂通过位于气化炉下部的布风板进入气化炉。随着气流速率逐渐增大,床层内出现气泡,床层表面起伏明显,固体物料在气化炉中表现出类似流体的性质,此时床层被形象地称为鼓泡床。经过高强度的传热传质和复杂的热化学反应,生物质转化为可燃气。随后可燃气携带气化固体产物(灰和炭)进入旋风分离器进行气固分离。
生物质在循环流化床气化炉中的反应过程与鼓泡流化床气化炉基本类似。主要区别在于气固分离后燃气离开气化炉,而未完全反应的固体物料经过返料器返回气化炉继续反应。
双流化床气化炉采用两个流化床,一个是气化炉,另一个是燃烧炉。生物质在气化炉中进行热解气化反应,经气固分离后燃气离开气化炉,残炭和砂子进入燃烧炉并与空气发生燃烧反应。随后烟气携带热砂子再进行气固分离,烟气离开气化炉,而热砂子返回气化炉为气化反应供热。
流化床气化炉可稳定提供均一的反应温度和良好的气固反应条件,并可方便地使用各种气化剂或添加催化剂,是大规模制备高品质燃气的重要炉型,已广泛应用于中大规模的生物质气化工程。