【文献解读】Biomass Conv. Bioref.基于双流化床的生物质气化技术在钢铁行业的减排设计方案

钢铁行业作为化石能源的消耗大户，其减排工作一直受到广泛关注。如何将可再生能源与钢铁行业的能源需求相匹配，以获得最大幅度的减排效果，是可再生能源行业研究人员关注的焦点。双流化床生物质气化技术可以将燃烧和气化分开进行，获得不同性质的可燃气和烟气，有潜力满足钢铁行业的燃气需求。

来自奥地利的研究人员最近公开了一种基于双流化床的生物质气化技术，并利用这一技术提出了其在钢铁行业的减排设计方案。在这一设计方案中，碳源主要来自生物质并通过电解水的方式向方案引入纯氧和纯氢，通过生物质气化、合成来获得合成天然气和富氢燃气，排放的废气为较为纯净的CO₂，可以方便地对其进行分离、储存或作为他用。

通过能量和物质计算，方案中输入132MW的生物质能量和571MW 的可再生电能（来自太阳能、风能和水能等），可产生385MW的合成天然气以替代化石天然气、100MW的富氢燃气代替化石还原剂，可减排CO₂约80万吨/年。从技术角度看，可以完全替代钢铁行业的燃气需求并有效降低钢铁行业的碳排放。

文献中首先介绍了三种双流化床生物质气化和燃烧技术。

1. 带有吸附增强重整功能的增氧燃料燃烧和气化技术

如图1所示，方案一在燃烧床中采用纯氧作为气化介质和氧化剂，与气化床输送过来的床料（碳酸钙、氧化钙和生物质半焦的混合物）发生燃烧反应，排出的烟气为纯净的CO₂，燃烧床排出的固体颗粒物主要为高温氧化钙粉末，被烟气携带进入燃烧床的分离器中被分离后进入气化床作为床料，气化床采用高温水蒸气作为流化介质，生物质原料和高温氧化钙在气化床发生化学反应，生成富氢气体。

Fig. 1 Sorption enhanced reforming with oxyfuel combustion (OxySER)

2. 采用水蒸气和CO₂作为气化介质的双流化床气化技术

如图2所示，方案二在燃烧床中增加辅助燃料与空气燃烧，将床料加热。热床料进入气化床，与生物质燃料、CO₂和水蒸气一起发生化学反应，得到富碳可燃气。

Fig. 2  CO₂ and steam gasification within a DFB reactor system

3. 基于双流化床的生物质化学链燃烧技术

如图3所示，方案三采用变价金属氧化物作为原子氧载体，在燃烧床和气化床之间输送氧原子。高价金属氧化物在气化床中与生物质原料、水蒸气发生氧化反应，生成高温烟气，烟气的主要成分是水蒸气和CO₂，可以方便分离CO₂，高价金属氧化物失去氧原子后变成低价金属氧化物，被送入燃烧床，与空气发生氧化反应，重新变成高温高价氧化物，乏空气携带一部分热量排出。该技术不产生可燃气体，只有高温烟气可以利用。

Fig. 3 Chemical looping combustion of solid biogenic fuels within a DFB reactor system

表1给出了三种技术类型的参数对比。通过对比，第一种方案优势明显：能够生产富氢燃气，富氢气体性质接近炼焦气。排放的烟气中CO₂浓度非常高，可以方便地进行分离，作为天然气合成装置的碳源或者进行封存。综合比较，第一种方案即增氧燃料燃烧和气化技术比较适合钢铁行业的减排需要。

Table 1  comparison of presented processes regarding different parameters

为了验证不同方案的可行性，研究人员建立了一套总高7米的双流化床气化装置，如图4所示。

Fig.4  Upper part of the 100 kWth dual fluidized bed test plant (left), lower part (right)

图5给出了一个能够完全替代钢铁厂的燃气需求的工业工厂模型，它包括了生物质气化装置，电解水设备，二氧化碳分离设备和甲烷合成设备。向钢铁厂提供合成天然气和富氢燃气，同时钢铁厂产生的二氧化碳被送到合成天然气装置再利用。

Fig.5 Concept for full replacement of the natural gas demand of a hot metal production

文章中进一步探讨了增氧燃料燃烧和气化技术与钢铁行业的具体结合方式，如图6所示。通过增加使用可再生电力的电解水设备生产氢气和氧气，氢气用于调节天然气合成装置中的原料比例生产合成天然气以代替轧钢厂等部门的化石天然气，氧气用于生物质气化和钢铁部门；通过增加CO₂分离设备，将生物质流化床燃烧炉产生的纯净CO₂进行分离，加上钢铁厂排出的CO₂，作为天然气合成装置中的碳源；将生物质流化床气化炉产生的富氢燃气作为还原剂代替高炉使用的化石碳基还原剂（喷吹煤）。

Fig.6 Schematic illustration of sorption enhanced reforming in combination with oxyfuel combustion (OxySER), subsequent gas cleaning, electrolysis, and CO2 separation

表2示出了该方案的质量流和能量流平衡计算结果，方案输入中输入干生物质原料37468kg/h，二氧化碳40247kg/h，补充水60365kg/h，其他5791kg/h，经过加工，获得富氢燃气15671kg/h，合成天然气28206kg/h,富余纯氧96325kg/h及其他3669kg/h。由于富余纯氧的消耗能量没有给出，所以难以核算该方案的热效率。

Table 2. Results of the mass and energy balance calculations

通过增氧燃料的双床生物质流态化气化燃烧技术，为钢铁行业提供减排方案。该方案消耗生物质原料50T/h（换算成干生物质原料37468kg/h），纯水60T/h，可再生电力571MW，可以循环使用20000Nm3/h的方案内的来自生物质和钢铁厂的二氧化碳，每年可以减排二氧化碳80万吨，相当于当前奥地利碳排放量的1%。

方案中对生物质双流化床的气化炉、电解水设备和天然气合成合成设备的规模提出了更高大的要求，需要进一步开发大规模的相应设备。

该方案还需要进行技术经济性分析，通过生物质价格、天然气价格、碳交易价格等来判断该方案是否具有经济可行性，以及采取何种政府政策来促进本方案的加速实施。

https://doi.org/10.1007/s13399-020-01021-4