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焦慧強
（國網山西省電力公司晉城供電公司，山西晉城048000）
摘要：指出現有生物質氣化技術普遍存在燃氣熱值偏低、焦油含量偏高以及氣化熱效率偏低等問題，制約了生物質氣化技術在我國大規模的高效利用。介紹了4種固體生物質轉化高品質燃氣化利用技術：超臨界水氣化法、兩段（多段）氣化法、串行流化床氣化法和基于太陽能聚熱的生物質氣化法，對其基本原理、技術特點和優勢進行了闡述，同時介紹了4種利用該技術當前最新的研究進展，探討了當前生物質氣化技術需要解決的問題。
1引言
近年來，世界范圍內的石油、煤炭、天然氣等不可再生能源的消耗日益增長，能源危機不斷加劇，能源供應保障已成為大多數國家必須面臨的重大挑戰。生物質能是一種年產量十分巨大的可再生能源，生物質能的利用可起到優化能源消費結構、緩解能源供應緊張局面的作用。目前，各種生物質能利用技術與方法層出不窮，主要包括生物質直接燃燒、氣化、液化、熱解以及壓縮成型等，其中生物質燃氣化利用被業界認為具有很大的發展潛力。現階段生物質氣化仍以固定床和流化床氣化為主，研究的重點也主要集中在氣化參數方面，然而現有生物質氣化技術普遍存在燃氣熱值偏低、焦油含量偏高以及氣化熱效率偏低等問題，對于生物質在我國大規模的高效利用產生嚴重的制約，因此開發生物質能高品質燃氣化利用新技術已成為生物質氣化領域的研究熱點。
2生物質轉化高品質燃氣利用新技術
經過幾十年的研究，特別是近十年，隨著能源危機、環境污染等問題日益突出，國內外對生物質能的關注度日漸提高，目前已經發展了眾多生物質氣化新方法。在眾多新方法中普遍認為可行性較高的有超臨界水氣化法、兩段氣化法、串行流化床氣化法以及太陽能聚熱法。
本文主要對這4種方法展開論述，其中部分方法已在國內展開了小規模應用，部分方法仍在研究當中。
2.1超臨界水氣化法
由于未處理的生物質含水率一般很高，直接進行氣化或熱解過程的熱效率很低，如對含濕量高的生物質進行干燥預處理，這需要消耗大量的能量。由于超臨界水可改變相行為、擴散速率和溶劑化效應，使反應混合物均相化，增大擴散系數，從而控制相分離過程和產物的分布，由于這些原因，生物質在超臨界水中氣化制氫過程的熱效率不隨生物質含濕量變化，對于高含濕量的生物質，在超臨界水中氣化具有比常規氣化和熱解過程更高的熱效率。
國內外對超臨界水氣化法都有較深入的研究，閆秋會等通過實驗分析了反應參數對纖維素超臨界水氣化制氫產氣性能的影響，實驗結果表明溫度對氣體熱值的影響較大，壓力對氣體熱值的影響較小，升高溫度會提高氣化率，但導致產氣高熱值降低。西安交通大學的呂友軍、冀承猛等研究了鋸木屑、木質素的超臨界水氣化，實驗表明：超臨界氣化過程可能是自由基和離子反應共同作用的結果，壓力升高有利于離子反應的進行而抑制自由基反應，這使得壓力對氣化反應總效果的影響表現并不很明顯，但壓力會改變氣體產物的組成，長的反應停留時間使氣化反應更接近平衡狀態，這樣氣化過程更加完全，溫度對氣化反應有明顯的影響，高的溫度有利于氣化制氫反應的進行。Jale Yanik等利用棉花莖、玉米莖和制革廢料作為超臨界水氣化的原料，在500℃的間歇式高壓釜內進行實驗，得到的生物質產氫率范圍為4.05～4.65mol H2/kg，此外，催化劑能通過加強水氣轉換反應和甲烷重整顯著地增加氫的產率。
呂友軍等還研究了玉米芯、有機廢液、農業生物質等在超臨界水氣化制氫實驗研究。表1給出了幾種生物質原料用超臨界水氣化法所得燃氣氣體成分與熱值對比表。
2.2兩步（多步）氣化法
即便是超臨界水氣化制氫，在反應過程中也不可避免地會產生焦油，焦油的處理始終是科研人員的頭號難題。為了降低氣化過程中的焦油含量，近年來研究人員開發了兩步（多步）氣化法。該工藝將生物質氣化過程中的低溫熱解和高溫氣化兩個過程相對分步進行，實現“多級”氣化，保證了焦油裂解的高溫環境，使焦油裂解為小分子不凝性可燃氣體，如圖1所示。兩步氣化法配合催化劑的使用，能使來自生物質原料的焦油轉化為氣體產品，從而大大降低了焦油的含量，同時也增加了氣化效率。
賴艷華等研究了兩段氣化中一段供風和兩段供風對降低生物質氣化過程焦油生產量的影響。結果表明兩段供風顯著提高了氣化爐內的最高溫度和還原區的溫度，氣體中焦油的含量僅為常規供風的1/10左右。
閆桂煥等的研究表明，分步氣化法保證了焦油強化裂解的高溫條件，使其充分裂解為小分子不凝性可燃氣體，從而降低了可燃氣體中基礎焦油質量濃度，提高了燃氣品質，該工藝可使燃氣中基礎焦油質量濃度降低到20mg/m3以下。表2給出了兩步氣化法在空氣和富氧氣氛中的氣體成分。
Mohammad Asadullah等利用兩步氣化法，選用的催化劑為Rh/CeO2/SiO2證明了兩步氣化法配合催化劑的使用，能使最大量為250mg/min的焦油完全轉化為氣體產品，加入催化劑的分步氣化法，能在更低的溫度下使焦炭轉化為合成氣體，所以其能源效率更高。
2.3串行流化床氣化法
串行流化床氣化是一種基于循環流化床技術的的氣化理念，將生物質的熱解氣化和燃燒過程被分隔開，熱解氣化采用鼓泡流化床（氣化反應器），半焦燃燒采用循環流化床（燃燒反應器），兩個反應器之間依靠惰性固體載熱體進行熱量傳遞，其原理圖如圖2所示。這種方式的實現可最大程度地保障高的產氫率，提高氣化氣品質。
目前國內開展了串行流化床生物質氣化技術的研究工作。東南大學吳家樺等建立了串行流化床生物質氣化熱態實驗研究裝置，實驗表明以水蒸氣為氣化劑的產氫率最高，氣化溫度從720℃升高到930℃時，氫產率從32.4g/kg增加到60.3g/kg，同時氣化氣產率也增加了90％。沈來宏等利用Aspen plus軟件建立了串行流化床氣化反應器模型，結果表明催化劑中CaO組分對生物質氣化制氫過程的催化作用非常顯著，氣化圖2串行流化床生物質氣化制氫原理反應溫度為700℃時在CaO的催化作用下產氫率可達94.1％。
2.4基于太陽能聚熱的生物質氣化技術
由于生物質氣化屬于熱化學方法，該方法存在的反應需要高溫條件，熱量一般由生物質自身、或摻混化石燃料燃燒來提供，該方法以消耗自身能量為代價，會減少參與氣化反應的生物質量。針對目前新能源技術的發展，學者提出了太陽能聚焦供熱的熱化學技術，利用太陽能來驅動熱化學反應，該方法起初應用于熱分解水制氫反應，而后學者開發了生物質氣化制氫與太陽能聚焦供熱耦合的太陽能熱化學制氫途徑，并持續探索與深入研究，該方式不僅解決了氣化反應所需的高溫熱源，減少了化石能源的消耗，同時完成了太陽能能源品質的提升。
目前國內外針對太陽能聚熱的生物質氣化反應做了許多研究。Melchior等借助粒子流反應器利用高溫太陽能來驅動生物質的氣化反應，并進行了相關實驗研究和氣化過程動力學分析；而Kalinci等提出了利用太陽能—生物質氣化來制取氫氣的系統。近年來諸多學者基于我國的基本國情，對于該技術也進行了深入的研究，西安交通大學多相流國家重點實驗室成功構建了多碟聚焦和自旋—俯仰輪胎面定日鏡聚焦太陽能與生物質超臨界氣化耦合制氫系統各一套，初步驗證了太陽能熱化學分解和生物質超臨界水制氫技術的可行性，考察了太陽能輻照對反應器的溫度和氣化制氫的影響，初步探索了太陽能供熱的生物質催化氣化制氫，實現了太陽能供熱的生物質完全氣化。西安建筑科技大學王貝貝等開發了一套太陽能驅動生物質超臨界水氣化制氫系統。中科院白章等構建了基于生物質—太陽能氣化的多聯產系統，利用太陽能為生物質提供高溫熱源，使用氣化產生的合成氣用于生產甲醇，并將未反應的合成氣直接送入燃氣-蒸汽聯合循環系統進行發電。該系統的太陽能熱份額為36.78％，與其他系統相比，系統的生物質節省率高達51.74％，同時合成氣的降溫所釋放的顯熱和甲醇合成反應的放熱量都將用于余熱鍋爐部分的給水加熱，因此系統總效率達到48.45％，燃氣品質也優于常規熱源氣化。
3結論
由于我國地域遼闊，不同地區生物質原料的物理屬性存在較大差異，在開發符合我國國情的生物質能氣化技術同時，應該根據地區生物質原料的差異性因地制宜地利用當地生物質資源，選用與之相適應的生物質氣化技術，將低品位的生物質能轉換成高品位的能源，實現生物質能的高效清潔利用，對緩解我國能源短缺的局面，實現經濟的可持續發展，以及加強環境保護，具有十分重要的作用。
盡管目前生物質氣化技術已經進入實用階段，并且我國也已有了小規模的集中供氣、供熱及氣化發電等方面的應用，但是距國外水平還有相當的差距。要真正有效地利用生物質能，還必須盡快解決生物質氣化的關鍵技術及相關的配套技術設施等核心問題。 |
