随着化石能源的消耗及环境问题日益严重,生物质能源得到了更为广泛的关注。其中生物质气化作为生物质能的一个重要发展方向,却存在着产气品质偏低、气化反应不完全、焦油及碱金属污染较大等问题,制约了其大规模的工业生产及应用。针对上述问题提出了一种生物质流化床+旋风炉两段式耦合气化方案,本文对该气化方案展开了全面的研究工作。首先利用实验室小型流化床,对稻壳进行了常压条件下的空气气化研究。分析了不同温度、当量比对流化床气化特性的影响,同时还对三种不同床料的气化性能进行了对比研究。结果表明:提高气化反应温度可促进产气热值及产气率的提升,同时气化效率也得到了明显的改善。随着当量比的增加,产气率得到了明显的提升,但同时也会引起产气热值的降低。当量比为0.16-0.32时,石英砂及高铝矾土为床料下,气化效率随当量比的增加出现先增大后减小的趋势;橄榄石床料下气化效率则不断提高,但提升的速率逐渐减缓。在对三种床料气化性能进行对比时发现,相同条件下橄榄石气化气中可燃组分浓度及产气热值最高;而高铝矾土条件下产气率较高,从而导致高铝矾土与橄榄石的气化效率相近并远大于石英砂。其次依托江苏省粮食烘干示范工程,搭建了流化床+旋风炉两段式气化中试试验平台,并以流化床研究为基础结合冷态测试结果,对其展开了中试规模的研究及验证。研究结果显示,两段式气化系统可实现连续稳定运行,其中以富氧空气为旋风炉气化剂时,整体产气热值提升较为明显,碳转化率及气化效率也都得到了明显的改善;同时还发现适当提高流化床当量比,有助于其气化性能的提升,进而对系统整体产气热值及气化效率起到促进作用;而旋风炉当量比的增加则不利于整体气化性能的提升。各工况下系统整体气化效率较单一流化床可提升10%以上;其中以86%的富氧空气为旋风炉气化剂时,系统整体产气热值得到了明显的提升,气化效率增加了26.7%。焦油的采样过程中发现,适当提高流化床当量比可降低其气化产物中的焦油含量;而由于旋风炉反应温度较高且具有足够的停留时间,焦油在旋风炉内得到了充分的裂解。耦合试验表明,两段式气化系统能够实现稳定运行,在获得较高的气化效率同时能有效减少产气中的焦油含量。因示范工程需要,实际试验过程中旋风炉被分为气化区及燃烧区两部分,无法反应其整体气化特性及系统完整的气化性能。基于数值仿真软件Fluent,选取中试过程中的典型工况对旋风炉进行了整体气化研究。首先通过与中试结果对比,验证了模型的合理性,同时对不同配风方式、当量比及气化剂氧浓度进行模拟。结果表明,均匀配风方式下,流化床气化产物在旋风炉内的平均停留时间得到了明显提升,相较于集中配风炉内碳转化率提高了9.66%;同时炉内温度变化较为复杂传热传质效果明显,气化反应更加充分。在对三种配风方式下旋风炉整体气化结果对比时发现,均匀配风方式下可燃组分CO及H₂在炉内的分布总体较高,产气热值相较于全管路配风和集中配风,分别提升了0.31MJ/Nm³及0.79MJ/Nm³;产气率及气化效率都得到了明显改善。流化床典型工况下,随着旋风炉当量比增加,CO和H₂含量呈先增后减的趋势;CH₄浓度则不断降低。当量比为0.14-0.16时整体气化效率可达70%以上,0.14时产气热值及气化效率分别达到最大值。而随着气化剂氧含量的提升,各可燃组分浓度均有不同程度的增加;产气热值及气化效率也都得到了明显提升,但增长速率却不断减缓。综合来看,在旋风炉整体气化时应尽量采用均匀配风方式,并在保证系统稳定及制氧效益的同时,适当降低旋风炉当量比、提高气化剂的氧浓度。