床层气体气氛对流化床燃烧和小麦秸秆气化过程中颗粒聚集的影响

《Renewable Energy》：Effect of In-bed Gas Atmosphere on Agglomeration in Fluidized Bed Combustion and Gasification of Wheat Straw

流化床气化中，小麦秸秆在不同当量比（0.04-1.45）和气化剂（空气、蒸汽、CO?）下结块行为研究表明：还原性环境（如蒸汽、CO?）降低灰熔点加速结块，而低当量比时未反应碳增加抑制结块，存在临界当量比使结块趋势达到峰值。蒸汽通过减少未反应碳并提高灰熔融度促进结块。首次系统揭示当量比与气化剂对生物质流化床气化结块的双重调控机制，提出考虑还原气氛与未反应碳竞争的结块机理模型。

　　

赵丽艳|林伟刚|金达姆-约翰森|吴浩

丹麦技术大学化学与生物化学工程系，孔恩斯林比，2800，丹麦

摘要

在850°C的温度下，对流化床燃烧和气化过程中小麦秸秆的团聚现象进行了系统实验，等值比（ER）范围为0.04至1.45。研究进一步探讨了各种气化剂（包括空气、蒸汽和CO₂）对团聚行为的影响。结果表明，流化床中的气氛显著影响小麦秸秆燃烧和气化过程中的团聚倾向。在气化过程中，还原性气氛可以通过降低灰分的熔点来加速团聚。相反，在低等值比下，未转化碳含量的增加会通过减少灰分熔化、抑制灰分与床层材料的相互作用以及将更多钾固定在碳中而减轻团聚。在低等值比下，还原性气氛与未转化碳之间的竞争导致团聚倾向达到最大值。此外，蒸汽的存在通过减少未转化碳的含量和增加秸秆灰分的熔化程度来促进团聚。基于这些新发现，提出了一个考虑等值比和蒸汽影响的流化床中小麦秸秆气化过程中团聚现象的机理解释。

引言

流化床中的生物质燃烧[1]和气化[2]是将可再生资源转化为热能、电能和化学产品的有前景的技术。然而，床层团聚可能会破坏流化床的稳定高效运行[3]，在严重情况下，甚至可能导致失流和工厂非计划停机[4]。在过去二十年里，从多个角度对生物质流化床燃烧中的团聚现象进行了广泛研究。研究探讨了颗粒尺度上团聚体的形成机制[5]，以及生物质类型[6]、操作参数（如床层温度[7]、气体速度[7]、颗粒大小[7]、床层材料类型[8]和燃烧化学计量[9]对团聚倾向的影响。几篇综述进一步总结了生物质流化床燃烧中的团聚现象，涵盖了燃料特性和灰分形成元素的释放[10]、异相反应对涂层形成的影响[11]、团聚机制及操作变量的影响[12]，以及床层团聚的检测和可能的对策[13]。人们认识到，生物质流化床中的团聚现象源于床层材料与灰分在熔融相（通常是由生物质衍生的低熔点碱性化合物）存在下的相互作用[14]。因此，提出了几种缓解策略，例如通过改变床层中的灰分化学成分来提高灰分熔点，如与低钾生物质共燃[15]、使用添加剂（如钙物种[16]和莫洛石[17]）或使用非硅质床层材料[18]。

与燃烧相比，流化床气化中的团聚行为在文献中受到的关注相对较少。很少有研究关注生物质气化过程中的团聚现象，主要集中在木质纤维素生物质[19]、碱盐[20]以及生物质和煤的共气化[21]上。与燃烧研究类似，生物质气化中的团聚研究主要关注气化性能[22]、床层温度[23]和生物质类型[24]对团聚倾向和机制的影响，以及缓解团聚的方法，如使用床层添加剂[25]和替代床层材料[26]。然而，关于气化诱导团聚的系统研究仍然相对较少。此外，气化研究中使用的方法通常与燃烧研究中的方法相似，可以分为以下几类：通过热力学平衡计算预测灰分行为[27]；通过SEM-EDX分析气化条件下实验室规模反应器中形成的团聚体来评估失流倾向[28]；将试验测试与热力学平衡建模相结合[24]；基于固定床反应器在控制温度下形成的团聚体来估计团聚倾向[29]；以及在模拟气化条件下评估灰分的失流温度[30]。

然而，在生物质气化过程中，原料在不同气化剂产生的还原性气氛下发生转变。这导致灰分的化学性质比燃烧过程中更为复杂。因此，气化条件下形成的生物质灰分不仅与燃烧产生的灰分有显著差异，还表现出更复杂的熔化行为，这是与团聚现象的发生和发展密切相关的关键物理化学性质。已有文献表明，在还原性条件下（CO[31]和H₂[32]），煤灰的熔化温度低于氧化性条件，因为铁从三价态还原为二价态。然而，生物质灰分的熔化变化模式并不一致，似乎取决于生物质类型[33]。?hman等人[30]观察到，在气化条件下，甘蔗渣、橄榄果肉、稻壳和树皮的团聚温度略低于燃烧条件下的温度，而紫花苜蓿和芦苇草则表现出相反的趋势。Ma等人[34]在550°C下制备了三种秸秆灰分（小麦、稻米和玉米），并研究了不同气氛（空气、CO₂、H₂和蒸汽）下三种秸秆灰分的失流温度。他们观察到失流温度的顺序为：空气 ≈ CO₂ > H₂ > 蒸汽。然而，这些观察结果背后的机制尚不清楚，需要进一步澄清。

此外，等值比（ER），也称为空气比，是气化中的一个关键操作参数，它影响产物的合成气产量和组成[35]。尽管之前关于生物质气化过程中团聚的实验研究（包括玉米芯[36]和Miscanthus × giganteus[37]）采用了0.18至0.38的典型等值比范围，但等值比对流化床反应器中团聚现象的具体影响尚未得到系统阐明或严格研究。据我们所知，现有文献中仍缺乏关于关键参数（特别是等值比和气化剂）对生物质流化床气化过程中团聚倾向影响的全面研究。

本研究旨在通过强调不同气化剂（如蒸汽和CO₂）对团聚的影响，丰富该主题的内容。本研究的目标是系统地研究在气化和燃烧区域范围内常见的 problematic 生物质原料——小麦秸秆的团聚行为，基于实验的新发现，提出了合理的气化团聚机制并进行了讨论。

部分摘录

燃料和床层材料

实验中使用的燃料是小麦秸秆，其颗粒大小在2至4毫米之间。选择这一特定尺寸范围是为了减少燃料颗粒的漂移并确保稳定的进料条件。小麦秸秆的近似分析和最终分析以及无机成分见表1。作为床层材料使用了二氧化硅砂，其纯度超过97 wt.% SiO₂，颗粒大小在355至500微米之间。

实验装置

结果

本节展示了实验研究、平衡分析以及团聚体样品的表征结果。

讨论

本研究表明，不同气化剂（如蒸汽和CO₂）对团聚行为有影响。实验表明，小麦秸秆在气化过程中的团聚倾向通常比燃烧过程中更明显。尽管如此，在非常低的等值比下，团聚倾向明显减弱。本研究的新发现是，团聚倾向最初随着等值比的降低而增加，达到一个峰值，然后

结论

在实验室规模的流化床反应器中进行了一系列系统实验，以研究生物质气化过程中的团聚现象，特别关注等值比（ER）和气体流速（SFR）的影响。同时进行了燃烧实验作为对比。研究发现，小麦秸秆在流化床中的团聚倾向强烈依赖于等值比。团聚倾向最初增加，随着等值比的降低达到最大值，随后

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

CRediT作者贡献声明

吴浩：撰写 – 审稿与编辑，监督。林伟刚：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。金达姆-约翰森：撰写 – 审稿与编辑，监督。赵丽艳：撰写 – 原稿撰写，验证，方法学研究，实验设计

数据可用性

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利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢丹麦技术大学（DTU）的财政支持，赵丽艳还感谢中国国家留学基金委员会（CSC）提供的奖学金。