伍芳嫺 博士、陳冠邦 博士

國立成功大學 能源科技與策略研究中心

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在中小規模應用中，雙流化床(DFB)氣化爐以蒸汽氣化方式自固體燃料產生氫氣與合成氣是目前最有前景的技術。生物質的轉化通常需要較小的單位，在某些情況下，地域性對氫氣或甲醇的需求可能會促進生物質的轉化路徑。基礎化學品(如:氫或甲醇)的低市場價格使得小規模生物質應用需要依賴的政府獎勵政策。而這些獎勵措施已經在德國和奧地利等歐洲國家實現了熱電聯產，這些國家自2001年以來已經建造和營運了幾家DFB氣化爐廠。

生物質和廢棄物以蒸汽氣化的方式比以空氣氣化的方式提供了更高且更明顯的產氣品質，特別是在中小尺度範圍內。此合成氣具有較高的熱值，且合成氣中的氫氣含量高達50%以上，使得該技術對於生物質轉化為第二代燃料(如:費-托柴油、甲醇、二甲醚(DME)或替代天然氣(SNG))特別有意義。這些能量載體的合成需要無氮合成氣，在大型裝置中轉化煙煤或褐煤的最先進工藝通常使用氧噴吹氣化技術。但由於純氧供應需要相當大的電能輸入，因此通常不在分散式轉化生物質系統中應用氧噴吹氣化爐，故蒸汽氣化是使用生物質進行氣化處理的替代方案。

蒸汽氣化的關鍵挑戰是必須在高於700-800℃的溫度下進行反應，此溫度下可供燃料乾燥、加熱與吸熱氣化反應所需的反應熱能。空氣或氧氣噴吹氣化爐同時又稱為自熱型氣化爐，是藉由在氣化爐內部的氧化反應放熱以提供氣化反應所需的反應熱，這種自熱型氣化在空氣噴吹氣化的情況下使得氮氣稀釋了產生的氣體，或者需要純氧氣和昂貴的空氣分離裝置，而無氧條件中的間接型氣化則需要加熱氣化反應器。

間接加熱式氣化爐通常使用蒸汽作為氣化媒介，需要外部熱源來維持氣化反應器中所需的操作溫度。間接加熱式生物質氣化爐的典型操作溫度範圍為670°C至900°C，並且該溫度由碳轉化，焦油重組，硫物質和二氧化碳可能固有捕獲化學反應以及灰份熔融結塊和結垢這些因素所決定。目前已知有三種方案可充分有效地加熱這種氣化爐：1.單流化床的不連續間歇操作，2.兩個相互連接的流化床之間的顆粒循環，3.間接加熱的流化床，這些技術通常都使用於流化床。

Levenspiel總結了這種蒸汽氣化爐的幾種設計方案，目前大多數提出的概念是將流化床燃燒與流化床氣化相結合-包括所謂的雙流化床(DFB)氣化爐。DFB氣化系統最適合使用高熱通量進入相對較小的氣化反應器，可透過循環進行有效加熱或透過熱交換器進行有效的間接加熱。

雙流化床氣化系統的主要優點是分離，至少對於氣相-氣化反應和將反應熱提供給氣化反應的燃燒反應。該概念使得能夠在不稀釋所產生的合成氣的情況下進行間接氣化，避免氮氣隨著燃燒空氣一起被引入。這些間接加熱型氣化爐的合成氣熱值與氫氣含量與用蒸汽- 氧氣混合操作的自熱型氣化爐相當。因此，間接加熱型蒸汽氣化爐產生與蒸汽/氧氣氣化爐品質相當的合成氣而不需要空氣分離單元。

到目前為止，DFB氣化爐有兩個主要選擇:一種是使用循環床材作為熱載體直接加熱，另一種則是使用熱管間接加熱以將熱量傳遞到氣化爐。DFB氣化爐的尺寸需要考慮流化特性，而且這種DFB系統的元件可以用類似於流化床燃燒系統的元件來設計。特別是在沿著高度產生氣體而逐漸增加氣體流速方面存在差異，在DFB系統中需要某些固體循環速率以滿足焦炭輸送至燃燒段和來自燃燒段的熱量輸送的要求。高蒸汽當量比降低了冷氣體效率，但是有助於降低焦油含量改善產氣品質。實際操作上，DFB系統的蒸汽當量比通常介於2至3之間。

DFB氣化爐的操作受到燃料含水量的強烈影響。濕燃料在氣化爐中需要更多的熱量來蒸發與加熱到反應溫度。另一方面，在濕燃料的情況下，可以減少所需的蒸汽添加量，獲得與乾燥燃料相同的蒸汽當量比。另一種高相關性的燃料特性是來自近似分析的固定碳含量。高揮發性燃料在氣化爐中需要更多的熱量並且為燃燒反應段提供較少的焦炭。此外，隨著固定碳含量的降低可以預期產生更高的焦油(tar)濃度。氣化爐中改進炭轉化率對合成氣品質具有明顯的影響，並些微提高冷氣體效率。燃燒段中缺少的焦炭燃料可以通過直接輸送生物質到燃燒段中來進行補償。然而，由於焦炭氣化相對較慢，高轉化率將需要較長的停滯時間，因此需要較大的反應段尺度。

床材的催化性質被認為對於焦油分解和建立CO轉換平衡以在產氣中獲得高H2含量是至關重要的。在最近的文獻中，橄欖石的催化活性有著不同的效果，且橄欖石中的鎳和鐵有助於催化重組反應，再另一篇研究表明，在操作過程中所形成富含鈣表層的橄欖石床材明顯優於原始橄欖石。碳酸鈣基床材的另一個特徵是選擇性地將CO2輸送到燃燒反應器。藉由調節DFB中氣化段和燃燒段中的溫度以分別進行碳酸化和鍛燒。

除了生物質氣化外，DFB系統目前越來越受到重視，特別是在高溫固體循環領域，例如使用CaO / CaCO 3系統(鈣循環)燃燒尾氣中捕獲CO 2和化學迴路燃燒(chemical looping combustion，其中過渡金屬氧化物(載氧體)選擇性地將氧氣從空氣反應器輸送到燃料反應器。DFB系統的另一個應用領域是使用某些載氧體選擇性地部分氧化碳氫燃料以產生或升級合成氣，該過程也被稱為化學迴路重組。