生物质混煤流化床两段气化：提升产气性能，迈向低碳能源新征程

为解决生物质气化难题，研究人员开展生物质混煤在流化床两段系统中气化的研究。结果表明，混煤提升了产气性能，抑制了灰团聚，实现低焦油富氢气体生产，为生物质能源高效利用提供新途径。

　　在全球致力于低碳发展的大背景下，能源结构转型迫在眉睫。生物质作为一种储量丰富的可再生能源，具有碳中性的优势，其通过气化等热化学转化利用方式不会产生净碳排放，因此受到了全世界的广泛关注。然而，生物质气化面临着诸多挑战。与煤炭相比，生物质在性质上存在较大差异，这使得以气流床气化炉为代表的商业化煤气化技术难以适用于大规模生物质气化。例如，生物质的高氧含量使得实现气流床气化所需的高温条件变得困难，同时其灰分中高含量的碱金属和 SiO₂会对气化过程产生不利影响，容易造成设备堵塞等问题。此外，在约 1000℃的气化温度下，焦油的生成和控制也是一个关键问题。焦油的释放不仅会降低气化效率，还会严重影响产品气作为燃料或用于化学合成的后续使用。

为了应对这些挑战，国内研究人员开展了一项关于生物质与少量煤在流化床两段气化炉中共同气化的研究。他们使用该气化炉生产低焦油富氢气体，旨在提升生物质气化性能，为生物质能源的高效利用开辟新途径。该项研究成果发表在《Carbon Resources Conversion》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在原料处理方面，将生物质（松木颗粒）和煤（依兰煤）粉碎筛选至 0.3 - 5mm，进行工业分析和元素分析，并利用热重（TG）和差热分析（DTA）确定气化温度。实验装置上，使用由下行式热解器和上行式气化炉组成的流化床两段气化系统，通过特定装置实现原料连续进料和气体产物收集。在检测分析上，运用气相色谱 - 质谱联用仪（GC - MS）分析焦油成分，使用便携式红外燃料气体分析仪（FGA）监测气体组成，同时通过一系列公式计算气体产率、热值、焦油含量等关键指标 。

气化效率研究结果

研究发现，增加生物质中煤的质量分数（15 - 45wt%）会提高原料中的固定碳含量，进而提升热解器（T3）和气化炉（T1）的温度。随着煤质量分数的增加，CO 的体积分数从 21vol% 增加到 25.5vol%，这是因为高密度的富碳煤焦转移到鼓泡流化段底部，通过 2C + O₂ → 2CO 和 C + CO₂ → 2CO 反应消耗氧气。而 CO₂的含量则从 18.5vol% 下降到 13.3vol%。同时，CH₄和 C_nH_m的浓度逐渐增加，表明升高的温度促进了分子链断裂，生成了更多可燃气体。不过，H₂的体积分数从 13.5vol% 显著降低到 8.4vol%，这主要归因于原料中 H 含量的减少。

在产气性能方面，随着煤质量分数的增加，气体产率从 1.8 Nm³/kg_ad提升到 2.0 Nm³/kg_ad，这主要是由于气化剂中 N₂含量增加；焦油含量从 1.7 g/Nm³_d显著下降到 0.2 g/Nm³_d，一方面是因为原料中挥发性物质含量减少，另一方面是由于煤灰中丰富的金属成分使其相比生物炭具有更强的催化焦油裂解能力。

另外，混煤还显著提升了冷煤气效率（CGE）、碳转化率和氢转化率。当煤质量分数从 15wt% 增加到 45wt% 时，CGE 从 65% 提升到 86%，碳转化率从 86mol.% 提升到 95mol.%，氢转化率从 71mol.% 提升到 86mol.%。这表明鼓泡流化段中富碳床料的燃烧释放出大量热量，提高了系统温度，增强了焦油裂解和重整反应。通过 GC - MS 分析焦油成分发现，随着煤质量分数增加，重质和大分子焦油成分显著减少，进一步证明了煤灰对焦油的催化 / 热裂解作用。

灰团聚及其抑制研究结果

通过 X 射线衍射（XRD）分析，研究人员揭示了煤灰团聚的机制。在热解过程中，生物质颗粒内部挥发的碱金属（如 Na）会与基于 SiO₂的煤灰反应形成共晶混合物，而非挥发性碱金属（如 K、Ca 和 Al）会转移到煤焦表面，增加固体颗粒之间的结合强度。团聚的煤灰 / 焦炭在鼓泡流化段底部积累，会阻止固体颗粒的循环，流化气体中的氧气与团聚物中的碳相互作用产生大量热量，导致底部温度升高至 1200℃以上，使煤灰转变为熔融相，从而严重堵塞或破坏流化状态。

为了解决灰团聚问题，研究人员将煤的进料口重新定位到鼓泡流化段上表面。通过这种改进，热解器挥发物中的碱与底部主要由煤热解形成的灰和焦炭颗粒相互作用的机会大大减少，从而有效抑制了生物质来源的碱与煤衍生的灰之间相互作用导致的灰团聚。在采用改进方法进行的 12.5h 长期连续气化试验中，热解器和气化炉的温度分别稳定保持在 631℃和 880℃，压力波动较小。排出的煤灰均匀，无明显团聚现象，证明了改进设计的有效性。在产气方面，产品气在约 20min 内趋于稳定，含有 13.3vol% CO、20.1vol% CO₂、4.3vol% CH₄、1.1vol% C_nH_m、9.8vol% H₂和 51.4vol% N₂，低热值（LHV）为 4.9 MJ/Nm³_d 。在 6h 的间歇收集过程中，焦油含量从 1.8g/Nm³_d逐渐降低到 0.012g/Nm³_d，这表明系统中的加热载体颗粒（Al₂O₃）逐渐被细煤灰颗粒取代，增强了循环床材料的催化活性。与文献报道结果相比，该研究的流化床两段气化工艺在生产富氢产品气方面具有明显优势，焦油含量最低，H₂浓度几乎最高。

研究结论与意义

综上所述，该研究利用流化床两段气化炉对生物质和煤的混合物进行气化，成功生产出低焦油富氢气体。混煤提高了原料的能量密度，提升了气化温度，并避免了 O₂与热解气的接触。在富氧气化试验中，随着煤质量分数的增加，冷煤气效率、碳转化率和氢转化率显著提高。通过分离碱和煤焦的流动，有效抑制了灰团聚，实现了长期连续稳定运行。在优化条件下，即温度为 890℃、当量比（ER）为 0.35、煤质量分数为 10wt% 时，生产的合成气具有良好的组成和较低的焦油含量，低热值为 4.9 MJ/Nm³_d。该研究成果展示了生物质混煤流化床两段气化技术在生产低焦油合成气方面的巨大潜力，提高了气化过程的稳定性和效率，为生物质能源的大规模高效利用提供了理论依据和技术支持，有望推动低碳能源领域的发展。