焦慧強

（國網(wǎng)山西省電力公司晉城供電公司，山西晉城048000）

　　摘要：指出現(xiàn)有生物質(zhì)氣化技術(shù)普遍存在燃?xì)鉄嶂灯?、焦油含量偏高以及氣化熱效率偏低等問題，制約了生物質(zhì)氣化技術(shù)在我國大規(guī)模的高效利用。介紹了4種固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化高品質(zhì)燃?xì)饣眉夹g(shù)：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(zhì)氣化法，對其基本原理、技術(shù)特點和優(yōu)勢進(jìn)行了闡述，同時介紹了4種利用該技術(shù)當(dāng)前最新的研究進(jìn)展，探討了當(dāng)前生物質(zhì)氣化技術(shù)需要解決的問題。

　　1引言

　　近年來，世界范圍內(nèi)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(yīng)保障已成為大多數(shù)國家必須面臨的重大挑戰(zhàn)。生物質(zhì)能是一種年產(chǎn)量十分巨大的可再生能源，生物質(zhì)能的利用可起到優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)、緩解能源供應(yīng)緊張局面的作用。目前，各種生物質(zhì)能利用技術(shù)與方法層出不窮，主要包括生物質(zhì)直接燃燒、氣化、液化、熱解以及壓縮成型等，其中生物質(zhì)燃?xì)饣帽粯I(yè)界認(rèn)為具有很大的發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)階段生物質(zhì)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(shù)方面，然而現(xiàn)有生物質(zhì)氣化技術(shù)普遍存在燃?xì)鉄嶂灯汀⒔褂秃科咭约皻饣療嵝势偷葐栴}，對于生物質(zhì)在我國大規(guī)模的高效利用產(chǎn)生嚴(yán)重的制約，因此開發(fā)生物質(zhì)能高品質(zhì)燃?xì)饣眯录夹g(shù)已成為生物質(zhì)氣化領(lǐng)域的研究熱點。

　　2生物質(zhì)轉(zhuǎn)化高品質(zhì)燃?xì)饫眯录夹g(shù)

　　經(jīng)過幾十年的研究，特別是近十年，隨著能源危機、環(huán)境污染等問題日益突出，國內(nèi)外對生物質(zhì)能的關(guān)注度日漸提高，目前已經(jīng)發(fā)展了眾多生物質(zhì)氣化新方法。在眾多新方法中普遍認(rèn)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(nèi)展開了小規(guī)模應(yīng)用，部分方法仍在研究當(dāng)中。

　　2.1超臨界水氣化法

　　由于未處理的生物質(zhì)含水率一般很高，直接進(jìn)行氣化或熱解過程的熱效率很低，如對含濕量高的生物質(zhì)進(jìn)行干燥預(yù)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(yīng)，使反應(yīng)混合物均相化，增大擴散系數(shù)，從而控制相分離過程和產(chǎn)物的分布，由于這些原因，生物質(zhì)在超臨界水中氣化制氫過程的熱效率不隨生物質(zhì)含濕量變化，對于高含濕量的生物質(zhì)，在超臨界水中氣化具有比常規(guī)氣化和熱解過程更高的熱效率。

　　國內(nèi)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(yīng)參數(shù)對纖維素超臨界水氣化制氫產(chǎn)氣性能的影響，實驗結(jié)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(dǎo)致產(chǎn)氣高熱值降低。西安交通大學(xué)的呂友軍、冀承猛等研究了鋸木屑、木質(zhì)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(yīng)共同作用的結(jié)果，壓力升高有利于離子反應(yīng)的進(jìn)行而抑制自由基反應(yīng)，這使得壓力對氣化反應(yīng)總效果的影響表現(xiàn)并不很明顯，但壓力會改變氣體產(chǎn)物的組成，長的反應(yīng)停留時間使氣化反應(yīng)更接近平衡狀態(tài)，這樣氣化過程更加完全，溫度對氣化反應(yīng)有明顯的影響，高的溫度有利于氣化制氫反應(yīng)的進(jìn)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(nèi)進(jìn)行實驗，得到的生物質(zhì)產(chǎn)氫率范圍為4.05～4.65mol H₂/kg，此外，催化劑能通過加強水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)和甲烷重整顯著地增加氫的產(chǎn)率。

　　呂友軍等還研究了玉米芯、有機廢液、農(nóng)業(yè)生物質(zhì)等在超臨界水氣化制氫實驗研究。表1給出了幾種生物質(zhì)原料用超臨界水氣化法所得燃?xì)鈿怏w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(yīng)過程中也不可避免地會產(chǎn)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(fā)了兩步（多步）氣化法。該工藝將生物質(zhì)氣化過程中的低溫?zé)峤夂透邷貧饣瘍蓚€過程相對分步進(jìn)行，實現(xiàn)“多級”氣化，保證了焦油裂解的高溫環(huán)境，使焦油裂解為小分子不凝性可燃?xì)怏w，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(zhì)原料的焦油轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)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(fēng)和兩段供風(fēng)對降低生物質(zhì)氣化過程焦油生產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明兩段供風(fēng)顯著提高了氣化爐內(nèi)的最高溫度和還原區(qū)的溫度，氣體中焦油的含量僅為常規(guī)供風(fēng)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?xì)怏w，從而降低了可燃?xì)怏w中基礎(chǔ)焦油質(zhì)量濃度，提高了燃?xì)馄焚|(zhì)，該工藝可使燃?xì)庵谢A(chǔ)焦油質(zhì)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(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)品，加入催化劑的分步氣化法，能在更低的溫度下使焦炭轉(zhuǎn)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(huán)流化床技術(shù)的的氣化理念，將生物質(zhì)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(yīng)器），半焦燃燒采用循環(huán)流化床（燃燒反應(yīng)器），兩個反應(yīng)器之間依靠惰性固體載熱體進(jìn)行熱量傳遞，其原理圖如圖2所示。這種方式的實現(xiàn)可最大程度地保障高的產(chǎn)氫率，提高氣化氣品質(zhì)。

　　目前國內(nèi)開展了串行流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究工作。東南大學(xué)吳家樺等建立了串行流化床生物質(zhì)氣化熱態(tài)實驗研究裝置，實驗表明以水蒸氣為氣化劑的產(chǎn)氫率最高，氣化溫度從720℃升高到930℃時，氫產(chǎn)率從32.4g/kg增加到60.3g/kg，同時氣化氣產(chǎn)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(yīng)器模型，結(jié)果表明催化劑中CaO組分對生物質(zhì)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(zhì)氣化制氫原理反應(yīng)溫度為700℃時在CaO的催化作用下產(chǎn)氫率可達(dá)94.1％。

　　2.4基于太陽能聚熱的生物質(zhì)氣化技術(shù)

　　由于生物質(zhì)氣化屬于熱化學(xué)方法，該方法存在的反應(yīng)需要高溫條件，熱量一般由生物質(zhì)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(yīng)的生物質(zhì)量。針對目前新能源技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者提出了太陽能聚焦供熱的熱化學(xué)技術(shù)，利用太陽能來驅(qū)動熱化學(xué)反應(yīng)，該方法起初應(yīng)用于熱分解水制氫反應(yīng)，而后學(xué)者開發(fā)了生物質(zhì)氣化制氫與太陽能聚焦供熱耦合的太陽能熱化學(xué)制氫途徑，并持續(xù)探索與深入研究，該方式不僅解決了氣化反應(yīng)所需的高溫?zé)嵩?，減少了化石能源的消耗，同時完成了太陽能能源品質(zhì)的提升。

　　目前國內(nèi)外針對太陽能聚熱的生物質(zhì)氣化反應(yīng)做了許多研究。Melchior等借助粒子流反應(yīng)器利用高溫太陽能來驅(qū)動生物質(zhì)的氣化反應(yīng)，并進(jìn)行了相關(guān)實驗研究和氣化過程動力學(xué)分析；而Kalinci等提出了利用太陽能—生物質(zhì)氣化來制取氫氣的系統(tǒng)。近年來諸多學(xué)者基于我國的基本國情，對于該技術(shù)也進(jìn)行了深入的研究，西安交通大學(xué)多相流國家重點實驗室成功構(gòu)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(zhì)超臨界氣化耦合制氫系統(tǒng)各一套，初步驗證了太陽能熱化學(xué)分解和生物質(zhì)超臨界水制氫技術(shù)的可行性，考察了太陽能輻照對反應(yīng)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(zhì)催化氣化制氫，實現(xiàn)了太陽能供熱的生物質(zhì)完全氣化。西安建筑科技大學(xué)王貝貝等開發(fā)了一套太陽能驅(qū)動生物質(zhì)超臨界水氣化制氫系統(tǒng)。中科院白章等構(gòu)建了基于生物質(zhì)—太陽能氣化的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用太陽能為生物質(zhì)提供高溫?zé)嵩?，使用氣化產(chǎn)生的合成氣用于生產(chǎn)甲醇，并將未反應(yīng)的合成氣直接送入燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。該系統(tǒng)的太陽能熱份額為36.78％，與其他系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的生物質(zhì)節(jié)省率高達(dá)51.74％，同時合成氣的降溫所釋放的顯熱和甲醇合成反應(yīng)的放熱量都將用于余熱鍋爐部分的給水加熱，因此系統(tǒng)總效率達(dá)到48.45％，燃?xì)馄焚|(zhì)也優(yōu)于常規(guī)熱源氣化。

　　3結(jié)論

　　由于我國地域遼闊，不同地區(qū)生物質(zhì)原料的物理屬性存在較大差異，在開發(fā)符合我國國情的生物質(zhì)能氣化技術(shù)同時，應(yīng)該根據(jù)地區(qū)生物質(zhì)原料的差異性因地制宜地利用當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)資源，選用與之相適應(yīng)的生物質(zhì)氣化技術(shù)，將低品位的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換成高品位的能源，實現(xiàn)生物質(zhì)能的高效清潔利用，對緩解我國能源短缺的局面，實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，以及加強環(huán)境保護(hù)，具有十分重要的作用。

　　盡管目前生物質(zhì)氣化技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實用階段，并且我國也已有了小規(guī)模的集中供氣、供熱及氣化發(fā)電等方面的應(yīng)用，但是距國外水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?。要真正有效地利用生物質(zhì)能，還必須盡快解決生物質(zhì)氣化的關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)的配套技術(shù)設(shè)施等核心問題。