固定床与流化床中生物质与废弃物气化的对比研究：操作条件对合成气质量与能量可行性的影响

《Biomass and Bioenergy》：Comparative evaluation of biomass and waste gasification in fixed and fluidized beds: Influence of operating conditions on syngas quality and energy viability

本研究针对生物质和废弃物气化过程中合成气质量与能量效率优化难题，系统比较了松木、橄榄渣(OP)和衍生燃料(RDF)在固定床与流化床反应器中的气化性能。结果表明，松木在流化床800°C时H2产量达13.75%，冷煤气效率(CGE)最高为68.18%；而RDF因高灰分和异质性导致焦油产量高达30 g/Nm3，CGE最低仅28.53%。研究为不同原料选择最佳气化工艺提供了数据支撑，对推进废弃物能源化与碳中和目标实现具有重要意义。

　　

随着全球环境污染和自然资源短缺问题日益严峻，开发可持续能源解决方案已成为当务之急。生物质作为可再生能源的重要组成部分，不仅能够减少对化石燃料的依赖，还能通过循环经济模式实现废弃物的价值转化。气化技术作为一种高效的 thermochemical conversion（热化学转化）技术，可将生物质和废弃物转化为合成气（syngas），用于发电、制氢或合成燃料。然而，该技术在实际应用中仍面临诸多挑战，如焦油（tar）形成、固体颗粒物和酸性化合物等问题，这些因素会严重影响合成气质量和系统运行效率。

为深入探究不同原料和气化工艺的优化路径，研究人员在《Biomass and Bioenergy》上发表了题为"Comparative evaluation of biomass and waste gasification in fixed and fluidized beds: Influence of operating conditions on syngas quality and energy viability"的研究论文。该研究系统比较了松木（pine）、橄榄渣（olive pomace, OP）和 refuse-derived fuel（RDF，衍生燃料）在 downdraft fixed-bed（下吸式固定床）和 bubbling fluidized-bed（BFB，鼓泡流化床）气化器中的性能，重点分析了温度（700–800°C）和 equivalence ratio（ER，当量比，0.18–0.34）对合成气组分、能量效率和副产物生成的影响。

在研究方法上，作者首先对三种原料进行了系统的物理化学表征，包括 ultimate analysis（元素分析）、proximate analysis（工业分析）、thermogravimetric analysis（TGA，热重分析）和 higher heating value（HHV，高位热值）测定。随后，分别在15 kW固定床和85 kW流化床气化系统中开展实验，通过 gas chromatography（GC，气相色谱）分析合成气组成，并采用 European Committee for Standardization（CEN/TS 15.439）标准方法量化焦油和 char（焦炭）产量。关键性能参数如 cold gas efficiency（CGE，冷煤气效率）和 carbon conversion efficiency（CCE，碳转化效率）通过建立的数学模型进行计算。

3.1 原料表征分析

原料特性分析显示，松木具有高挥发分（77.7%）和低灰分（1%），元素碳含量达48.8%，HHV为18.7 MJ/kg；橄榄渣碳含量最高（53.9%），HHV达20.3 MJ/kg，但灰分较高（7.8%）；RDF因含有塑料和无机物，灰分高达34.7%，碳含量最低（43.5%）。TGA曲线表明，松木在200–465°C发生剧烈热解，而RDF因组分复杂呈现多阶段降解。无机分析显示橄榄渣富含CaO（65.2%），具有天然脱硫潜力；RDF则含有高浓度SiO₂（31.2%）和Cl（13.5 g/kg），易引发结渣和腐蚀问题。

3.2 气化实验结果

固定床气化中，松木在800°C时H₂和CO分别升至16.37%和18.54%，但因CH₄裂解导致LHV从5.92 MJ/Nm³降至5.13 MJ/Nm³。橄榄渣的焦油产量高达6.4 g/Nm³，但其高CaO含量有助于酸性气体吸附。RDF因异质性导致气化不稳定，焦油产量达15.8 g/Nm³，CGE最低仅29.24%。

流化床气化表现出更优的混合与热均匀性：松木在800°C时CGE达65.09%，H₂产量提升至13.75%；橄榄渣的CGE为65.09%（700°C），但焦油仍超过9 g/Nm³；RDF的焦油产量高达30.78 g/Nm³，CGE仅60.10%。对比发现，流化床的CCE（54.71–66.38%）显著高于固定床（37.26–61.94%），尤其适合处理异质燃料。

3.3 原料-气化器协同优化

研究指出气化器选择需与原料特性匹配：固定床凭借 char bed（焦炭床层）的过滤和催化作用，适合高灰分、碱性组分（如CaO、K₂O）丰富的均质原料（如橄榄渣）；流化床则通过 dolomite（白云石）添加剂和均匀温度场，更适用于RDF等异质燃料，但需配套高效气体净化系统。

本研究通过多维度实验数据证实，原料特性（灰分组成、挥发分含量）对气化性能的影响常超越反应器类型本身。松木因其均质性和低杂质成为理想气化原料，而RDF的高灰分和氯含量需通过预处理或 co-gasification（共气化）技术优化。研究为生物质/废弃物气化的工艺选择提供了精准指导，对推动可再生能源技术发展和碳中和目标实现具有重要实践意义。未来可进一步探索≥900°C的高温气化、碱性原料与RDF的共气化协同效应，以及新型催化剂的开发应用。