油茶壳固定床气化过程区划特征研究
文献综述
1 引言
能源是世界经济和社会发展的重要物质基础，随着世界经济和社会的发展，对能源的需求也在不断增加。2013年至2015，世界一次能源消费预计每年增长1.4％，全球消费量到2035年将増加到37％。然而由于常规能源长期的过度开采与消耗，储量正在急剧减少。到2014年底，全球已探明的石油、天然气、煤炭的储量按目前(2014年)仅可维持52.5年、54.1年、110年。
同时，随着常规能源的大量使用，带来了日益严重的环境问题，引起了国际社会越来越广泛关注。化石燃料的燃烧是大气污染的主要来源，它排放了大量的粉尘、SO2、CO2和NO等多种有害气体。这些严重的环境污染，使得人类赖以生存的自然环境受到了严重的破坏。
因此，能源、环境问题已经成为当今世界最紧张和最复杂的问题，寻找可能的解决方案，是一个亟待研究的问题。世界各国尤其是能源大国都在大力研究开发具有可再生性和清洁性的可再生能源，如风能、太阳能和生物质能等，其中生物质能具有明显的技术优势。
生物质能是指蕴藏在生物质中的能量，是植物通过光合作用，把太阳能转化为生物能之后，固定和贮藏在生物内的能量。生物质通常包括:农业及林业废料，有机废弃物，动物废料等。它不但具有储量大和分布广的特点，而且具有清洁性，是环境友好型资源;另外，与常规能源具有相似性，容易被有效利用。因此，开发和利用生物质能，具有重要意义。
我国极为重视生物质能等可再生能源的开发和利用，在《可再生能源法》及相关政策的推动下，生物质能领域发展迅速，无论是技术研发、产业规模和装备制造能力等都取得了极大的进展[1-3]。
生物质能源主要以物理转化、热化学转化、生物转化三种方式加以利用。
生物质固化是利用生物质成型技术，将生物质原料压缩为颗粒状，改变了生物质形态，提高了堆积密度，贮存、运输、利用便利，环境污染小，可以在工业及民用中代替常规能源，是一种有前景的生物质能源利用技术[4-5]。
生物质生物转化技术主要以厌氧消化和特种酶技术为主，与热化学转化过程相比，原料和运行成本较高，是热化学转化的3倍。因而，它更适合于小规模生产高价值产品[6]。
热化学转化技术包含直接燃烧、液化、热解气化等众多形式，产品种类广投资少、转化效率高、转化强度高、易于工业化，因此，该技术受到了世界各国的广泛关注。其中，生物质气化通过生物质的不完全燃烧转换成可燃气、焦炭和可凝性混合物，被认为是生物质能量转换的最有效的方式[7-9]。
以生物质固化成型颗粒为原料进行生物质气化研究也是本文的主要研究内容。
2 下吸式固定床气化原理及研究现状
2.1层式下吸式气化炉
层式(也称作开心式)下吸式气化炉是在传统的Imbert下吸式气化炉的基础上，经过简化和重新设计而来。层式下吸式气化炉炉体为直筒型结构，去掉了缩口、喷嘴等复杂部件;炉顶口，即炉顶不需要加盖密封，空气和生物质原料均从顶部进入，在炉内能够均匀分布。这些特点使该炉型在模拟、放大、制造和操作方面具有独特的优势，从而在世界范围内得到了广泛应用。
2.2层式下吸式气化炉的特点
可以发现，在层式下吸式气化炉运行过程中，空气和生物质原料由上至下依次经过四个反应层:干燥区、有焰热解区、还原区和惰性炭区，所以称为层式。
炉内最上面的反应区是干燥区，原料在此区失去水分，空气从此区进入下面的反应区。干燥区的高度可以随时调整，它起到了原料储存库的作用。另外，为了防止下部的热解区的上移，应当保证原料随时充满气化炉。
与干燥区相邻的是有焰热解区(Flaming Pyrolysis Zone)，在此区生物质发生热解，生成炭、焦油和气体。热解气体及大部分焦油与空气混合并燃烧，为整个系统提供热量。由于热解过程伴随着火焰，因此，此区称为有焰热解区。在此区域的下部，生物质完全转换为炭，所有的氧气已经被消耗。离开此区的气体包括CO、H2、CO2、H2O、CH4等。有焰热解区是层式下吸式气化炉有别于其他下吸式气化
炉而独有的区域。在该区，占生物质含量80-90％的挥发分将释放燃烧，生物质颗粒被火焰所包围，在有焰的环境中完成热解，生成炭、气体和焦油;同时，有焰热解区释放的热量还将为还原区所利用，以完成能量向可燃气体的转换。因此，有焰热解区在气化炉中占据重要的地位，它的性能将决定整个气化炉的性能优劣。
第三个区是还原区，在此区，炽热的炭同进入还原区的的气体，主要是和CO2、H2O发生气化反应生成CO和H2。在此过程中，气体的显热转换成了生成气的化学能，从而使生成气的温度降至600℃以下，此时气化反应开始变弱。
气化炉的最下层是情性炭区，温度较低，反应不再发生，它起到了缓冲区和炭的储存作用。另外，惰性炭区还起到了调节系统负荷的变化及防止炉柵过热的作用。
层式下吸式气化炉除了具有喉式下吸式气化炉焦油含量低、炭转换率高、燃气热值高等下吸式气化炉的特点之外，还具有其独特的优点:
(1)直筒型的结构不但使得制造简单，而且对于形状复杂的物料，也可以保证在炉内良好的流动性，避免发生架桥和穿孔现象。
(2)炉顶敞口，不但使加料操作变得非常简单，而且原料在炉内更容易分布均匀。另外，口设计还使得空气能够均匀的进入炉内，在炉内均匀分布，从而保证了炉内温度的可控性。空气和生物质原料在气化炉内的均匀分布还可以防止在炉内整体温度较高的工况下局部发生过热或温度过低。
(3)炉内的分层结构使得炉内温度、压力等参数及气体成分的测量更加方便，同时也使得数学模型的建立更加便捷和简单，因此更有利于模型与试验数据的比较验证。
(4)由于层式下吸式气化炉去掉了缩口等结构，在操作上类似于活塞流的反应器，并且空气与生物质原料能够充分均匀混合，因此理论上气化炉完全可以按比例进行放大，这有利于气化炉从试验室走向工业化的应用。
如前所述，在中小规模的气化应用领域，层式下吸式气化炉具有其他气化炉不可比拟的优势。因此，近年来，层式下吸式气化炉在世界各国，尤其是发展中国家，拥有广泛的认可度。
2.3下吸式固定床气化反应过程影响因素
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