生物質(zhì)熱解氣化原理與技術(shù)-緒論

2024年2月21日發(fā)(作者：冬夜讀書示子律)

生物質(zhì)熱解氣化原理與技術(shù)

第一章 緒論

生物質(zhì)能是綠色植物通過光合作用轉(zhuǎn)換和儲存下來的太陽能，是重要的可再生能源，也是人類最早主動利用的能源，在人類文明史中起到了重要的作用。至今，生物質(zhì)能仍然是世界上消費量位居第四的一次能源，在我國農(nóng)村和發(fā)展中國家得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)生物質(zhì)能利用方式主要是家用爐灶中的直接燃燒，是自然經(jīng)濟(jì)生活方式的延續(xù)。現(xiàn)代生物質(zhì)能技術(shù)包括熱化學(xué)轉(zhuǎn)換和生物化學(xué)轉(zhuǎn)換兩大類。其中熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)與化石燃料技術(shù)有很強大的兼容性，在許多方面可以替代化石燃料，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和低碳排放，為人們所重視。

生物質(zhì)熱解氣化是熱化學(xué)轉(zhuǎn)換的重要技術(shù)方向，經(jīng)過科學(xué)家和工程師們的長期努力，已經(jīng)發(fā)展成為一個豐富多彩的技術(shù)門類，出現(xiàn)了形式多樣的裝置和工程實例，生產(chǎn)出熱力、電力、液體燃料、氣體燃料等品位較高的二次能源，還有許多新型技術(shù)在開發(fā)之中。

生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的發(fā)展

一切有生命的或者曾經(jīng)有生命的物質(zhì)都是生物質(zhì)，這是一個包羅萬象的總概念，但是只有那些可以作為燃料的固體生物質(zhì)才被用作熱化學(xué)過程。固體生物燃料主要包括：（1）木本原料，即樹木和各種采伐、加工殘余物；（2）草本原料，即草類、秸稈和各種加工殘余物；（3）果殼類原料，如板栗殼、棕櫚殼、花生殼等；（4）混雜燃料。[1]

生物質(zhì)熱解氣化是通過熱化學(xué)過程轉(zhuǎn)變固體生物質(zhì)的品質(zhì)和形態(tài)，使其應(yīng)用起來更加方便、高效和清潔的技術(shù)。

基本技術(shù)形式

形形色色的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)都是從熱解和氣化兩個基本技術(shù)形式派生出來的，反應(yīng)過程中不供應(yīng)足夠的氧氣，以獲得含有化學(xué)能的可燃燒產(chǎn)物為目的。

1．生物質(zhì)熱解

生物質(zhì)熱解是在熱作用下生物質(zhì)中有機物質(zhì)發(fā)生的分解反應(yīng)。在高溫下，構(gòu)成生物質(zhì)的大分子碳?xì)浠衔锘瘜W(xué)鍵斷開，裂解成為較小分子的揮發(fā)物質(zhì)，從固體中釋放出來。熱解開始溫度為200～250℃，隨著溫度升高，更多的揮發(fā)物質(zhì)釋放出來，而揮發(fā)物質(zhì)質(zhì)也被進(jìn)一步裂解，最后殘留下由碳和灰分組成的固體物質(zhì)。揮發(fā)物質(zhì)中含有常溫下不可凝結(jié)的簡單氣體，如H2、CO、CO2、CH4等，也含有常溫下凝結(jié)為液體的物質(zhì)，如水、酸、碳?xì)浠衔锖秃趸衔锏取Ｒ虼松镔|(zhì)熱解同時得到固體、氣體和液體三種形態(tài)的產(chǎn)物，三種產(chǎn)物的得率取決于溫度、加熱速率等工藝參數(shù)。

熱解發(fā)生的唯一條件是較高溫度，這也是所有生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換工藝的基本條件。在燃燒（氧化）或者氣化（部分氧化）工藝中，溫度升高后生物燃料首先發(fā)生熱解，然后才與氧接觸，發(fā)生反應(yīng)，因此不能以是否隔絕空氣作為熱解的條件。即使是獨立的熱解工藝，有時也需要加入少量空氣。生物燃料的揮發(fā)分高達(dá)70～80%，大部分物質(zhì)可以通過熱解轉(zhuǎn)變?yōu)閾]

發(fā)物質(zhì)，因此在燃燒和氣化過程中，熱解也起著重要的作用，這一點與煤炭的燃燒和氣化是不同的，因為煤炭的揮發(fā)分含量小得多。

生物質(zhì)熱解工藝是以熱解為主要反應(yīng)的工藝，目的是通過有機物質(zhì)的裂解得到期望的目標(biāo)產(chǎn)物。為了盡量減少因氧化造成的物質(zhì)損失，熱解工藝通常需要隔絕空氣。有時為減少提升溫度的能源消耗，也供應(yīng)少量空氣，但整個過程仍以熱解為主。根據(jù)加熱速率，熱解工藝可以分為慢速熱解、常速熱解和快速熱解三種。

生物質(zhì)慢速熱解是一種以生成木炭為目的的工藝，也叫做炭化工藝。低溫干餾的加熱溫度為500～580℃，中溫干餾溫度為660～750℃，高溫干餾的溫度為900～1100℃[2]。將木材放在干餾窯內(nèi)，在隔絕空氣的情況下加熱，或者在初期通入少量空氣，使少部分生物燃料燃燒以得到熱量，然后封閉。慢速熱解的加熱速率在1℃/s以下，整個反應(yīng)時間可能長達(dá)數(shù)小時至數(shù)天。慢速熱解可以得到占原料質(zhì)量30%～35%的木炭，同時得到木醋液、焦油和少量熱解氣[3]。

生物質(zhì)快速熱解是反應(yīng)速率非常高的熱解工藝，其反應(yīng)條件為：（1）隔絕空氣；（2）非常高的加熱速率，通常在100～200℃/s以上，甚至超過1000℃/s（閃速熱解）；（3）嚴(yán)格控制的反應(yīng)溫度，一般在500℃左右；（4）急劇冷卻，在0.5s內(nèi)淬冷至350℃以下[4]。快速熱解使大分子有機物在隔絕空氣的條件下迅速斷裂為短鏈分子，產(chǎn)生大量可凝性揮發(fā)分、部分小分子氣體和以及少量焦炭。可凝性揮發(fā)分被快速冷卻成可流動的液體，稱為生物油或熱解油，其比例可達(dá)原料質(zhì)量的40%～70%。熱解油為棕黑色黏性液體，熱值為20~22 MJ/kg，可直接作為燃料使用，也可以精制成為石油替代物。為獲得很高的加熱速率，需要將生物燃料磨成細(xì)粉，并采用專門設(shè)計的反應(yīng)器。

生物質(zhì)常速熱解的升溫速率介于慢速熱解和快速熱解之間，一般在1～10℃/s之間，通常并不刻意控制升溫速率，而是控制反應(yīng)溫度和燃料在反應(yīng)器中的停留時間。對于不同的工藝目的，反應(yīng)溫度范圍為450～900℃，反應(yīng)時間為1～15min。常速熱解需要隔絕空氣，得到固體、氣體和液體三種形態(tài)的產(chǎn)物，隨著反應(yīng)溫度升高，氣體產(chǎn)物比例明顯增加而固體和液體產(chǎn)物減少。常速熱解得到低位熱值為12～18MJ/Nm3的燃?xì)猓瓤諝鈿饣娜細(xì)鉄嶂蹈叩枚啵梢宰鳛橹迫「咂焚|(zhì)燃?xì)獾臍饣椒ā３Ｋ贌峤馀c氣化相結(jié)合，構(gòu)成兩步法氣化工藝，能夠獲得焦油含量極低的燃?xì)狻?

2．生物質(zhì)氣化

生物質(zhì)氣化是以空氣、富氧空氣、氧氣、空氣和水蒸氣、氧氣和水蒸汽等作為氣化劑，在高溫條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物燃料轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾倪^程。氣化工藝能夠?qū)⒐腆w生物燃料轉(zhuǎn)化為使用方便的氣體燃料或合成原料氣，使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)移到燃?xì)庵校D(zhuǎn)換效率達(dá)到70～90%，因此是一種高效率的轉(zhuǎn)換方式。

生物質(zhì)氣化過程是熱解、氧化、還原、變換等許多反應(yīng)的組合，反應(yīng)路線復(fù)雜。總的過程可以概括為：生物燃料遇熱后首先發(fā)生熱解，隨后發(fā)生熱解產(chǎn)物和木炭的燃燒，最后燃燒產(chǎn)物被碳還原，生成以CO、H2、CH4為主要可燃成分的生物質(zhì)燃?xì)狻?

氣化反應(yīng)體系中，氧化反應(yīng)提供著其他反應(yīng)所需要的熱量，是推動過程進(jìn)行的關(guān)鍵，使整個氣化過程成為一個自供熱系統(tǒng)。但氣化時提供的氧氣量總是不足以使生物燃料完全燃燒，氣化供氧量與完全燃燒需氧量的比值一般0.2～0.3之間，這個比值稱作當(dāng)量比ER，是氣化過程的重要參數(shù)。許多人將氣化過程叫做部分氧化過程，道理正在于此。

大多數(shù)生物質(zhì)氣化工程使用空氣為氣化劑。空氣中含有79%的氮，它不參加反應(yīng)，卻稀釋了燃?xì)庵械目扇汲煞帧？諝鈿饣a(chǎn)生的燃?xì)庵校獨夂吭?0%左右，只能獲取低位熱值為5～6 MJ/Nm3的低熱值燃?xì)猓笾孪喈?dāng)于發(fā)生爐煤氣。熱值低固然是一個缺點，但由于空氣可以任意取用，因此是最簡單易行的氣化方式，應(yīng)用得最為普遍。

使用氧氣為氣化劑時，避免了氮的稀釋，同樣的當(dāng)量比下，反應(yīng)溫度提高，反應(yīng)速率加

快，轉(zhuǎn)換效率提高，顯著地提高了燃?xì)鉄嶂怠Ｑ鯕鈿饣玫降娜細(xì)庵械獨夂亢艿停細(xì)鉄嶂悼梢赃_(dá)到12 MJ/Nm3。

在使用氧氣和水蒸汽的混合氣化工藝中，水蒸汽與碳發(fā)生還原反應(yīng)，與二氧化碳發(fā)生變換反應(yīng)，使燃?xì)馄焚|(zhì)有了明顯改善，特別是氫氣含量明顯提高。這樣的氣體經(jīng)過調(diào)制后適合于用作合成原料氣。

基于固定床和流化床的反應(yīng)機理，已經(jīng)發(fā)展了各種生物質(zhì)氣化反應(yīng)器。固定床氣化器中，沿著燃料移動的方向依次進(jìn)行著熱解、氧化和還原反應(yīng)。流化床氣化器提供了一個近乎均相的反應(yīng)條件，提高了反應(yīng)強度，更適合于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。各種規(guī)模的固定床和流化床氣化器，均有實際運行的裝置。近些年來，高反應(yīng)強度的氣流床氣化器也在實驗室或中試規(guī)模上得到了發(fā)展。

生物質(zhì)氣化技術(shù)的應(yīng)用方式主要有以下四個方面：（1）為民用炊事或工業(yè)裝置提供燃?xì)猓唬?）驅(qū)動內(nèi)燃機或燃?xì)廨啓C發(fā)電；（3）燃燒后為終端用戶提供熱能；（4）燃?xì)庹{(diào)制后用作合成液體燃料或者化學(xué)品。

3．主要技術(shù)路線

生物質(zhì)熱解氣化已經(jīng)發(fā)展成一個豐富多彩的技術(shù)門類，用于生產(chǎn)多種能源產(chǎn)品，圖1-1表示了主要的技術(shù)路線。

慢速熱解木炭加 工活性炭常速熱解焦油鍋爐熱力熱解油快速熱解生物燃料空氣氣化中熱值燃?xì)庋鯕鈿饣铣稍蠚獾蜔嶂等細(xì)饩苾?nèi)燃機、燃?xì)廨啓C電力燃?xì)馓崛∫后w燃料合成化 學(xué)品氧氣/水蒸汽氣化富氫氣體燃料電池氫氣

圖1-1 生物質(zhì)熱解氣化的主要技術(shù)路線

圖1-1中的多數(shù)技術(shù)路線與煤炭轉(zhuǎn)化路線類似，這是因為生物質(zhì)與煤炭都是以碳?xì)湓貫橹鞯娜剂希皇歉鞒煞值馁|(zhì)量比例不同而已。說到底，煤炭正是古代的生物質(zhì)埋在地下，經(jīng)過億萬年地質(zhì)作用充分碳化后形成的。因此在生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換方面，可以借鑒煤炭能源化工的豐富技術(shù)和工程經(jīng)驗。

在這些技術(shù)路線中，慢速熱解、常速熱解和空氣氣化技術(shù)已經(jīng)有了成功的工程實例，開發(fā)了各種類型的設(shè)備。快速熱解制取液體燃料，先進(jìn)氣化技術(shù)制取合成液體燃料、化工產(chǎn)品的技術(shù)正在發(fā)展之中。

發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

生物質(zhì)熱解氣化是上世紀(jì)70年代石油危機以后蓬勃發(fā)展的可再生能源技術(shù)，但是實際上已經(jīng)有了悠久的歷史。

生物質(zhì)熱解技術(shù)起源于木炭的制造，古人將木材放置在泥土窯內(nèi)，點火燃燒一段時間，而后封閉熄火，使揮發(fā)物逸出而制取木炭。木炭的主要成分是碳元素，熱值約為30MJ/kg，比木材高得多，而且燃燒迅速，是優(yōu)良的固體燃料。我國商代的青銅器制作和春秋戰(zhàn)國時

代的鐵器冶煉已經(jīng)在使用木炭，距今已有三千年以上歷史。揮發(fā)分析出后的木炭，燃燒時不冒黑煙，達(dá)官貴人們用作冬季室內(nèi)的采暖燃料。唐朝大詩人白居易于公元809年創(chuàng)作的著名詩篇《賣炭翁》，生動地刻畫了賣炭翁伐薪燒炭南山中的艱辛生活，也說明了在那個朝代，木炭已經(jīng)是一種商業(yè)化的產(chǎn)品。距今一千多年的隋唐時期，中國人發(fā)明了黑色火藥，木炭是其中主要成分之一。時光流過幾千年，制取木炭的基本方法沒有發(fā)生太大變化。

活性炭是熱解技術(shù)的另一重要產(chǎn)品，其制成工藝是通過物理化學(xué)過程法除去木炭內(nèi)的焦油等雜質(zhì)，使其形成發(fā)達(dá)的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。內(nèi)部的大量微孔使它具有高達(dá)300～1500m2/g的比表面積，因此有強大的吸附能力，被稱為萬能吸附劑。1900年至1901年德國人Raphael

von Ostrejko發(fā)明了用金屬氯化物和植物原料混合和在較高溫度下用CO2作用制造活性炭的兩項專利，1911年開始進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。在第一次世界大戰(zhàn)中，活性炭防毒面具拯救了許多士兵的生命。20世紀(jì)后半葉，環(huán)保產(chǎn)業(yè)成為活性炭應(yīng)用的大戶。目前全世界活性炭的產(chǎn)量約為100萬噸，氣體活化工藝逐漸取代氯化鋅活化工藝，設(shè)備向大型、連續(xù)、自動化方向發(fā)展[5]。我國自20世紀(jì)50年代開始生產(chǎn)活性炭，目前總產(chǎn)量在10萬噸以上，而且還在迅速增長，以棉柴等廢棄物生產(chǎn)活性炭的技術(shù)正在發(fā)展中。

生物質(zhì)氣化技術(shù)已有近100年歷史，它源自于更早的煤氣化技術(shù)。1843年，瑞典人Gustaf

Ekman發(fā)表了煤氣發(fā)生器的論文，1881年運行了第一套用于內(nèi)燃機的下吸式氣化爐。1918年瑞典人Axel Swedlund設(shè)計了第一臺上吸式木炭氣化爐，1924年又制造了第一臺下吸式木炭氣化爐，從而開創(chuàng)了生物質(zhì)氣化的先河。

第一次世界大戰(zhàn)末期，以木炭為燃料的氣化爐開始用于驅(qū)動汽車、船、火車和小型發(fā)電機。1939年第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，德國封鎖了歐洲大陸，石油成為緊缺的戰(zhàn)略物資，優(yōu)先供應(yīng)軍事用途，民用車輛不得不尋找替代動力，生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展達(dá)到了頂峰。戰(zhàn)爭期間，超過100萬部汽車、船只和拖拉機等運輸工具裝備了生物質(zhì)氣化爐（圖1-2）。代表性的Imbert型氣化爐（圖1-3）和各種改進(jìn)型大批量地生產(chǎn)，主要使用木炭為原料，有時也使用硬質(zhì)木塊[6]。

圖1-2 汽車上的氣化器 圖1-3 Imbert型氣化器

抗日戰(zhàn)爭年代，我國的木炭汽車也得到了發(fā)展。1931年，鄭州市的湯仲明制成中國第一輛木炭汽車。1932年湖南省工業(yè)試驗所由技師向德領(lǐng)導(dǎo)，先后研制出5種木炭氣化器，安裝在汽車上獲得成功。到1939湖南省50％以上汽車改裝成木炭汽車。上海的張登義等人引進(jìn)法國制造的下吸式氣化器，1937年將上海1路公共汽車全部改裝為木炭汽車。我國的木炭氣化器從研制推行到逐漸淘汰，歷時近15年，為保障抗戰(zhàn)時的公路交通運輸做出了不

可磨滅的貢獻(xiàn)。

二戰(zhàn)后，中東地區(qū)油田的大規(guī)模開發(fā)使用使世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展獲得了廉價優(yōu)質(zhì)的能源，發(fā)達(dá)國家的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向以石油為主，生物質(zhì)氣化技術(shù)在較長時間內(nèi)陷于停頓狀態(tài)。

20世紀(jì)70年代的石油危機，使各國政府認(rèn)識到常規(guī)能源的不可再生性和資源分布的局域性，為保障能源安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，投入大量資金開展新能源技術(shù)的研究，生物質(zhì)熱解氣化的研究重新活躍起來，學(xué)科技術(shù)的交叉使這一古老技術(shù)發(fā)展到新高度。近30年來的發(fā)展主要集中在以下方面：（1）生物質(zhì)熱解氣化和發(fā)電技術(shù)；（2）生物質(zhì)快速熱解制取熱解油技術(shù)；（3）生物質(zhì)氣化合成液體燃料技術(shù)；（4）生物質(zhì)制氫技術(shù)。

近代的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)朝向大型化發(fā)展，主要以農(nóng)林殘余物和工業(yè)廢棄物為原料。瑞典、荷蘭、丹麥、芬蘭、意大利、德國等國發(fā)展了各種類型的固定床、移動床和流化床氣化裝置。為解決空氣氣化燃?xì)鉄嶂档秃腿細(xì)庵薪褂偷葐栴}，出現(xiàn)了一些新的氣化原理和技術(shù)，如丹麥技術(shù)大學(xué)的兩步法氣化技術(shù)可以獲得低焦油含量燃?xì)猓绹鳳NL、荷蘭ECN、維也納技術(shù)大學(xué)等研究的雙循環(huán)流化床氣化裝置可以產(chǎn)生中熱值燃?xì)猓聡鳩uture Energy公司研究的加壓氣流床氣化裝置得到無焦油的中熱值燃?xì)鈁7]。在發(fā)電系統(tǒng)方面，小型系統(tǒng)采用固定床氣化器與內(nèi)燃機發(fā)電機組的組合，大型系統(tǒng)采用流化床氣化爐、燃?xì)廨啓C、蒸汽輪機組成生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。90年代在瑞典Varnamo建成了18MW的大型IGCC發(fā)電系統(tǒng)[8]。

國內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)在20世紀(jì)80年代以后得到了較快發(fā)展。80年代初期，研制了由固定床氣化爐和內(nèi)燃機組成的稻殼發(fā)電機組，形成了200kW稻殼氣化發(fā)電機組的產(chǎn)品并且得到推廣。同期中國農(nóng)機院、林科院采用固定床木材氣化爐烘干茶葉、木材，并為采暖鍋爐供應(yīng)燃?xì)狻?0年代中期，山東省科學(xué)院能源研究所提出了生物質(zhì)氣化集中供氣的技術(shù)路線，于1994年建成第一個試點，帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，已建成500多個集中供氣工程。中科院廣州能源研究所對流化床氣化爐進(jìn)行了大量研究，于1998年建成了1MW木屑流化床氣化發(fā)電示范系統(tǒng)，之后對流化床氣化發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了推廣，建成了一批MW規(guī)模的示范工程，最大的系統(tǒng)為6MW。

快速熱解技術(shù)可以將生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為液體燃料，引起了在各國科學(xué)家的關(guān)注，70年代末建成第一個實驗系統(tǒng)后，技術(shù)迅速發(fā)展。為獲得極高的加熱速率，開發(fā)出多種形式、構(gòu)思巧妙的熱解反應(yīng)器。如英國阿斯頓大學(xué)的燒蝕反應(yīng)器、美國可再生能源國家實驗室的漩渦反應(yīng)器、加拿大Dynamotive Energy Systems的流化床反應(yīng)器和Ensyn的循環(huán)傳輸床反應(yīng)器、荷蘭BTG公司的旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器[4]。上世紀(jì)90年代，快速熱解技術(shù)的研究達(dá)到了高峰。加拿大Ensyn公司是最早建立商業(yè)化運行系統(tǒng)的公司，自1989年開始生產(chǎn)和銷售生物油，在美國和加拿大有七套商業(yè)化裝置在運行，最大裝置日處理量為100噸。傳輸床熱解反應(yīng)器使用木材廢棄物，平均產(chǎn)油率在65～75%，生物油主要用來提取食品添加劑、天然樹脂和聚合物，剩余的用于燃燒發(fā)電。加拿大Dynamotive公司在安大略省建立了世界上規(guī)模最大的快速熱解工廠，日處理量在200噸，生物油產(chǎn)率在65～75wt%[9]。目前制取的生物油還是初級產(chǎn)品，熱值在20MJ/kg左右，可以用作鍋爐燃料，尚不能生產(chǎn)類似汽柴油的純凈產(chǎn)品。各國學(xué)者進(jìn)行了大量熱解油精制的實驗研究，努力尋找經(jīng)濟(jì)可行的精制方法。

我國快速熱解技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)90年代，中國科技大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)、上海理工大學(xué)、山東理工大學(xué)等開展了實驗研究工作。2007年中國科技大學(xué)在合肥蜀山工業(yè)園建成了一套年產(chǎn)3000噸生物油的流化床快速熱解示范裝置，所產(chǎn)生物油用于鍋爐燃燒。

生物質(zhì)氣化合成液體燃料技術(shù)可以得到純凈的車用燃料油，技術(shù)關(guān)鍵是獲得高品質(zhì)的合成原料氣。德國Choren公司于90年代末建成了Carbo-V氣化工藝合成燃料油的示范系統(tǒng)，采用熱解和氣流床結(jié)合的技術(shù)，生產(chǎn)出高質(zhì)量的合成氣[10]。美國可再生能源國家實驗室研究了純氧為介質(zhì)的加壓流化床氣化來提供乙醇合成氣。日本國家畜牧和草地科學(xué)研究所發(fā)展了

純氧和水蒸汽為介質(zhì)的流化床氣化器，產(chǎn)生的原料氣用來合成甲醇。歐盟第七框架中的CHRISGAS項目由隆德大學(xué)、ECN、瓦克舍大學(xué)等合作，采用純氧和水蒸汽為介質(zhì)的加壓流化床，產(chǎn)生富氫合成氣，目標(biāo)是合成甲醇、二甲醚、柴油等液體燃料。

我國也開始了生物質(zhì)氣化合成液體燃料的探索，山東省科學(xué)院能源研究所與中科院廣州能源所合作，于2008年建立了一套年產(chǎn)100噸二甲醚的中試裝置，用富氧為介質(zhì)的兩步法氣化技術(shù)獲得了很好的合成原料氣，制取了二甲醚樣品。

氫是轉(zhuǎn)換效率最高而且潔凈的二次能源，1981以后，許多學(xué)者進(jìn)行了生物質(zhì)熱解氣化制氫的研究。美國能源環(huán)境研究中心（EERC）比較了熱解和蒸汽氣化二個工藝以預(yù)測適合于生物質(zhì)制氫的最好方式，認(rèn)為它們是商業(yè)化制氫的潛在技術(shù)[11]。美國太平洋西北國家實驗室研究了生物質(zhì)氣化制氫的 SepRx工藝[12]，西班牙Compluten大學(xué)和Saragossa大學(xué)對生物質(zhì)催化氣化制取氫的過程進(jìn)行了廣泛和細(xì)致的研究。美國Brookhaven國家實驗室提出了名為Hydrocarb的生物質(zhì)高溫?zé)峤庵茪涔に嚕绹稍偕茉磭覍嶒炇疫M(jìn)行了生物油制氫的研究[14]。

我國也在進(jìn)行生物質(zhì)熱解氣化制氫方面的探索。中科院廣州能源所以流化床為反應(yīng)器,

對生物質(zhì)空氣和水蒸汽氣化制取富氫燃?xì)獾奶匦赃M(jìn)行了一系列實驗研究，探討了一些主要參數(shù)對氫產(chǎn)率的影響[14]。筆者和同事們開展了二次熱裂解制取富氫氣體的研究工作，得到的氣體中氫濃度達(dá)到60%以上。

近30年來的研究拓展了生物質(zhì)熱解氣化應(yīng)用領(lǐng)域，積累了豐富的技術(shù)和工程經(jīng)驗，展現(xiàn)了生物質(zhì)替代化石燃料的發(fā)展?jié)摿Α?

生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的意義

生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)能夠高效率利用生物質(zhì)資源，具有良好的原料適應(yīng)性和產(chǎn)品多樣性。發(fā)展生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)，對于改善能源結(jié)構(gòu)，減少溫室氣體排放，發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)有著重要意義。

生物質(zhì)能源的意義

生物質(zhì)資源是分布廣泛、數(shù)量巨大的可再生資源，又是環(huán)境友好的低碳能源，在人類社會持續(xù)發(fā)展中具有不可替代的作用。

１. 生物質(zhì)是資源豐富的可再生能源。

生物質(zhì)是植物通過光合作用產(chǎn)生的有機物，而光合作用是地球上最重要、最大規(guī)模的太陽能轉(zhuǎn)換和利用過程，只要太陽輻射能存在，綠色植物的光合作用就不會停止，生物質(zhì)也就生生不息、永不枯竭。

事實上，所有的化石能源都來自生物質(zhì)。由于地殼變動，遠(yuǎn)古的生物質(zhì)被沉積在地下，通過地質(zhì)作用演變成煤炭和石油。這種演變需要嚴(yán)酷條件，形成礦藏的時間非常漫長，數(shù)量非常有限，豐富的礦藏只在少數(shù)地區(qū)被發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)代大量開采使用的化石能源是億萬年前形成的，其消耗速度早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了它們的形成速度。2010年世界一次能源消費量為120億噸油當(dāng)量，其中石油為40.28億噸，天然氣28.58億噸，煤炭35.55億噸，化石能源消費量總計104.3億噸，占到一次能源消費總量的87%。現(xiàn)在每天化石能源的消耗量超過了20世紀(jì)以前人類全部消耗量的總和。近年來，化石能源消費量一直隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而持續(xù)增長，到2030年預(yù)計增長到134億噸油當(dāng)量（圖1-3）[15]。

12煤炭天然氣石油6197519852

圖1-3 世界化石能源消費量, Mtoe

1973年石油危機以來，人們每年都在計算化石能源還能用多少年。按照2010年的儲產(chǎn)比數(shù)據(jù)，石油可以用46.2年，天然氣可以用58.6年，煤炭可以用118年。我國的形勢更為嚴(yán)峻，石油可以用9.9年，天然氣可以用29.0年，煤炭可以用35年[16]。盡管隨著技術(shù)的發(fā)展，在更偏遠(yuǎn)地區(qū)、更深的地下和海洋中發(fā)現(xiàn)了新礦藏，但化石能源不可再生是公認(rèn)的事實，全世界都面臨未來能源供應(yīng)的巨大挑戰(zhàn)。

100多年的工業(yè)化過程過度消耗了化石能源，使人們認(rèn)識到只有可再生能源才能支持人類的可持續(xù)發(fā)展，其中包括以綠色植物為來源的生物質(zhì)能源。生物質(zhì)能源是人類利用最早、最多和最直接的一種能源，迄今仍有15 億以上的人口以生物質(zhì)作為主要生活能源。地球上每年生長的生物質(zhì)總量為1400～1800億噸干物質(zhì)，相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍，而作為能源利用的還不到其總量的1%。以科學(xué)的方法高效率地利用生物質(zhì)，將成為支持可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。

2．生物質(zhì)是潔凈的低碳能源

在能源轉(zhuǎn)化過程中，生物燃料被消耗，同時排放二氧化碳。但是生物質(zhì)的生長過程又從空氣中吸收等量的二氧化碳，使碳返回到土壤，從而保持了大氣中二氧化碳的基本平衡。圖1-4為以綠色植物為紐帶的碳循環(huán)過程，空氣中的碳在太陽能作用下進(jìn)入到植物體內(nèi)，一部分又通過食物鏈進(jìn)入動物體內(nèi)，然后通過三個主要途徑即燃燒、腐爛降解和動物呼吸回到大氣中，從而構(gòu)成碳的循環(huán)鏈，理論上這個循環(huán)過程是二氧化碳零排放的。

二氧化碳和太陽能

光合作用

燃燒 綠色植物 降解 呼吸

動物

圖1-4 以綠色植物為紐帶的碳循環(huán)過程

人類活動引起的溫室氣體排放和氣候變化已經(jīng)威脅到我們的生存環(huán)境。過去40萬年間大氣中二氧化碳濃度一直在180～290ppm之間變動，而2000年增加到370ppm，2010年又增加到450 ppm。20世紀(jì)以來全球平均氣溫升高了0.6攝氏度，導(dǎo)致了冰川消融和一系列極端氣象事件的出現(xiàn)。大量使用化石燃料把原先固定在地下的碳釋放出來，是二氧化碳排放增加的主要原因之一，能源活動的碳排放占到總排放70%以上。

大氣中碳元素是否能夠保持總量平衡，取決于人類的活動。無節(jié)制地使用化石燃料或者毀林開荒，將加速溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球性環(huán)境災(zāi)難。反之，如果大力保護(hù)和營造森林，種植綠色植物形成碳匯，用更多的生物質(zhì)能源來替代化石燃料，則大氣中二氧化碳濃度不僅不會繼續(xù)增加，反而還會減少，因為有越來越多的碳儲存在綠色植物之中。

以生物質(zhì)能源代替化石燃料，還可以減少化石燃料排放的SO2、NOx等污染物。例如，每利用1000噸秸稈來替代煤炭，在減少1400噸CO2排放的同時，還可減少4噸SO2和10噸煙塵的排放。

3．生物質(zhì)是分布廣泛的資源

生物質(zhì)資源分布廣泛，較少受地域限制，哪里有陽光、土壤、空氣和水分，哪里就有綠色植物，開發(fā)利用生物質(zhì)能源有利于改善國家的能源安全。

我國最迫切的能源安全問題是石油供需矛盾。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中國石油消費量迅速增加，1993年從石油凈出口國變成石油凈進(jìn)口國。2010年我國石油消費量達(dá)到4.28億噸，而國內(nèi)產(chǎn)量僅為2.03億噸，石油對外依存度達(dá)到了52.6%，是世界第二大石油進(jìn)口國。中國石油進(jìn)口的大部分來自中東、西非、南美，漫長的運輸線使能源供應(yīng)鏈?zhǔn)执嗳酢@石油資源的爭奪嚴(yán)重影響了世界格局，作為新興經(jīng)濟(jì)體國家，我國在這場爭奪戰(zhàn)中處于明顯的劣勢。

生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為氣體、液體燃料，具有大規(guī)模替代石油、天然氣的潛在能力，可能在改善我國能源結(jié)構(gòu)，提高能源安全方面發(fā)揮重要作用。

4．生物質(zhì)是唯一可再生的碳源

與其他可再生能源相比，生物質(zhì)的突出優(yōu)勢在于它是一種物質(zhì)能源，是唯一可再生的碳源，可以直接提煉液體燃料，或者通過各種技術(shù)途徑轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學(xué)品，實現(xiàn)對化石能源的全面替代。

太陽能、風(fēng)能和水能是可再生的過程能源，太陽輻射能、空氣動能和水的位能能夠轉(zhuǎn)化為電能或熱能，但不能轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學(xué)產(chǎn)品。目前液體燃料和化學(xué)產(chǎn)品主要來自于石油化工和煤炭化工，是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)不可或缺的基礎(chǔ)原料。隨著化石燃料的消耗，液體燃料和化學(xué)產(chǎn)品短缺將是困擾人類發(fā)展的重大問題。

生物質(zhì)與化石燃料同屬碳?xì)浠衔铮湮镔|(zhì)屬性越來越為人們所重視。一部分果實類生物質(zhì)本身就含有植物油，例如大豆、油菜、麻風(fēng)樹、黃連木、光皮樹等的籽實，可以通過脂交換方法生產(chǎn)生物柴油；另一部分生物質(zhì)富含糖分和淀粉，例如甘蔗、甜菜、玉米、木薯等，可以通過發(fā)酵和精制獲取燃料乙醇；更大量的木質(zhì)纖維素類原料，如木材、秸稈等，可以通過生物化學(xué)的方法將纖維素水解為單糖，然后發(fā)酵成乙醇，或者通過快速熱解直接轉(zhuǎn)換成液體燃料，或者通過氣化和合成方法生產(chǎn)液體燃料和化學(xué)產(chǎn)品。多種技術(shù)路線展現(xiàn)了以可再生生物碳源取代化石能源的潛力。

生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的特點

近年來，各個學(xué)科的相互交叉和滲透，推動了生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的迅速發(fā)展，除了本書重點討論的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)以外，還發(fā)展了直接燃燒技術(shù)、生物轉(zhuǎn)換技術(shù)和生物柴油技術(shù)等。

直接燃燒是生物質(zhì)發(fā)生完全氧化反應(yīng)的放熱過程，將生物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｖ苯?/p>

燃燒使用各種固體生物燃料，燃燒設(shè)備有各種爐灶、鍋爐和工業(yè)爐。小型燃燒設(shè)備提供家庭炊事、采暖的熱量，大型生物質(zhì)鍋爐用于發(fā)電和集中供熱。大型生物質(zhì)鍋爐燃燒效率高達(dá)95～97%，實現(xiàn)了生物質(zhì)能源高效率直接應(yīng)用。

生物轉(zhuǎn)換通過微生物發(fā)酵將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為氣體和液體，如沼氣和乙醇。沼氣是有機物質(zhì)在厭氧條件下經(jīng)微生物發(fā)酵形成的富甲烷氣體，熱值為20～22MJ/m3，是品質(zhì)較高的民用燃?xì)夂桶l(fā)電燃?xì)猓ザ趸己罂勺鳛樘烊粴馐褂谩捬醢l(fā)酵可以利用禽畜糞便、有機廢水、污泥等，也可以轉(zhuǎn)化秸稈類原料，但轉(zhuǎn)化率偏低。由糖類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇，熱值為29.68MJ/kg，與汽油混合后可作為車用燃料。生產(chǎn)乙醇的原料，一類是甘蔗、甜菜、甜高粱等含糖原料，另一類是玉米、甘薯、木薯等淀粉類原料。木質(zhì)纖維素類原料經(jīng)水解后變成單糖來生產(chǎn)乙醇是未來很有希望的技術(shù)。

通過生物油料與甲醇的脂交換工藝，制成脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯，其燃料特性與柴油近似，稱為生物柴油。生物柴油的原料包括各種油料作物籽實、微藻等植物性油脂和餐飲廢油、禽畜產(chǎn)品加工廢油等動物性油脂。木質(zhì)纖維素類原料水解后變成單糖，然后轉(zhuǎn)化成油脂，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成生物柴油的技術(shù)正在發(fā)展中。

直接燃燒、生物轉(zhuǎn)換和生物柴油都是目前發(fā)展的主流生物質(zhì)能源技術(shù)，分別具有突出的特點和優(yōu)勢。從原料和能源產(chǎn)品兩個角度看，熱解氣化技術(shù)與它們有相當(dāng)多的重合，那么熱解氣化技術(shù)有哪些特點和優(yōu)勢，使得它能夠成為生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中一個重要門類呢？歸納起來有如下幾點。

1．良好的原料適應(yīng)性

生物質(zhì)熱解氣化適用于固體生物燃料，包括林業(yè)和農(nóng)業(yè)殘余物、加工廢棄物，而固體生物燃料是資源量最大的生物質(zhì)原料。理論上生物轉(zhuǎn)換和生物柴油技術(shù)也可以利用這些原料，但存在著許多技術(shù)障礙，目前還不具備經(jīng)濟(jì)上的可行性。

熱解氣化對原料的預(yù)處理只有最低限度的水分和顆粒度兩項要求。一般要求水分在20%以下，自然干燥就可以滿足。固定床反應(yīng)器要求顆粒度小于50mm，流化床反應(yīng)器要求顆粒度小于10mm，快速熱解要求顆粒度小于1mm，簡單的粉碎不難達(dá)到這些要求。因此熱解氣化原料的預(yù)處理成本較低。

固體生物燃料的品種繁多、形態(tài)各異，但其主要成分是碳?xì)浠衔铩Ｈ绻鄢曳值挠绊懀鞣N化學(xué)元素的含量和熱值沒有明顯差別，在熱解氣化中的反應(yīng)過程、反應(yīng)溫度、反應(yīng)速率等也沒有明顯差別，因此大多數(shù)熱解氣化設(shè)備都具有良好的原料適應(yīng)性，原料變更對設(shè)備運行不會造成太大的影響，因此生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)有良好的原料適應(yīng)性。

2．能源產(chǎn)品的多樣性

圖1-1描述了生物質(zhì)熱解氣化的主要技術(shù)路線和終端產(chǎn)品，可以看出，熱解氣化的產(chǎn)品種類很多，而直接燃燒、生物轉(zhuǎn)換和生物柴油技術(shù)分別生產(chǎn)相對單純的能源產(chǎn)品。

實際上，熱解氣化只是能源產(chǎn)品的中間平臺，需要與下游技術(shù)結(jié)合來生產(chǎn)終端產(chǎn)品，而下游技術(shù)多源自于石油和煤炭工業(yè)的成熟經(jīng)驗。

慢速熱解是林產(chǎn)化工的技術(shù)平臺，其制取的木炭是傳統(tǒng)的固體燃料，進(jìn)一步加工可以得到高品質(zhì)活性炭，其副產(chǎn)品木醋液經(jīng)加工可以得到醋酸、丙酸、丁酸、甲醇和有機溶劑等產(chǎn)品。快速熱解獲取的液體燃料可以直接用于鍋爐，或者精制制取車用燃料油，也可以分離和提純，獲得眾多的化學(xué)產(chǎn)品。生物質(zhì)氣化建立了一個可燃?xì)怏w的中間平臺，由此出發(fā)可以直接提供生活和工業(yè)燃?xì)猓ㄟ^內(nèi)燃機和燃?xì)廨啓C產(chǎn)生電力，更進(jìn)一步地合成碳?xì)湟后w燃料和各種化學(xué)產(chǎn)品。

產(chǎn)品的多樣性，使生物質(zhì)熱解氣化能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)對主要能源產(chǎn)品的需求。

3．高的轉(zhuǎn)化效率

熱解氣化過程中生物質(zhì)含有的所有可燃物質(zhì)都參與了反應(yīng)，將化學(xué)能遷移到下游產(chǎn)物中。相比之下，生物轉(zhuǎn)換只能利用生物質(zhì)中的一部分物質(zhì)，例如沼氣技術(shù)轉(zhuǎn)化了部分纖維素和半纖維素，剩余了大量的沼渣；纖維素燃料乙醇技術(shù)主要利用了六碳糖，生物質(zhì)中其余部分沒有很好利用。

目前固定床氣化器的氣化效率為70～78%，流化床氣化器可以達(dá)到85%，用內(nèi)燃機發(fā)電時的發(fā)電效率為25～30%，聯(lián)合循環(huán)氣化發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到40%。有報道稱德國的氣流床氣化器，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%。快速熱解技術(shù)的液體燃料得率達(dá)到了70～75%。因此生物質(zhì)熱解氣化是高效率的能源轉(zhuǎn)換方式。

4．高的反應(yīng)速度

熱解氣化遵循阿累尼烏斯定律，其反應(yīng)速度隨著反應(yīng)溫度呈指數(shù)增長。熱解工藝的工作溫度一般為450～800℃，固定床氣化器內(nèi)的最高溫度可達(dá)1200℃，流化床氣化器的工作溫度為650～900℃。在這樣的溫度下，熱解和氣化的反應(yīng)在一瞬間就完成了。因此熱解氣化反應(yīng)器中的反應(yīng)強度很高，裝置體積很小。過去的木炭氣化爐可以隨車運載，瑞典的18MW聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的加壓流化床氣化爐每小時產(chǎn)氣30000m3，其直徑不過1.2m。

生物轉(zhuǎn)換過程屬于生命科學(xué)的領(lǐng)域，微生物生長和繁殖需要一個溫和的環(huán)境，所有的生物反應(yīng)器都工作在低溫下，反應(yīng)過程長達(dá)數(shù)日。因此規(guī)模化的生物反應(yīng)器都是體積龐大的容器。

5．適宜于分布式能源系統(tǒng)

生物質(zhì)熱解氣化系統(tǒng)的規(guī)模靈活，從數(shù)十千瓦到數(shù)十兆瓦都有成功的工程實例。但總起來說，熱解氣化裝置和工程更適合于分布式能源系統(tǒng)。

分布式能源系統(tǒng)是直接面向用戶的小型終端系統(tǒng)，它避免了遠(yuǎn)距離輸電損耗和載能工質(zhì)的輸送能耗，易于實現(xiàn)能量梯級利用，達(dá)到更高的能源利用率，特別是它可以就地高效利用用戶周邊的分散資源，補充商品能源的不足。在分布式能源系統(tǒng)概念提出后的20多年中，以小規(guī)模發(fā)電、熱電聯(lián)供以及冷熱電聯(lián)供等多種形式得到了快速發(fā)展。

分布式生物質(zhì)熱解氣化供能系統(tǒng)可以就近收集固體生物燃料，避免低密度原料長距離運輸?shù)哪茉聪暮唾M用，發(fā)揮產(chǎn)品多樣性的優(yōu)點，同時滿足終端用戶對氣熱電冷等多種能源的需求，實現(xiàn)能量梯級利用，從而達(dá)到高的轉(zhuǎn)化效率。我國農(nóng)村以村鎮(zhèn)為單位的居住形式和生產(chǎn)組織形式，自然地構(gòu)成了分布式能源系統(tǒng)的單元，生物質(zhì)熱解氣化裝置適合于這樣的規(guī)模。

發(fā)展中存在的問題

生物質(zhì)熱解氣化是發(fā)展中的技術(shù)，也存在著如下一些發(fā)展中的問題。

（1）系統(tǒng)大型化的障礙

現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)都是大型化的系統(tǒng)，可以降低成本，發(fā)揮規(guī)模效益。技術(shù)上生物質(zhì)熱解氣化系統(tǒng)的大型化是可能的，但是由于生物質(zhì)屬于面源資源，而且密度較低，其收集、運輸和儲存的成本較高，生物質(zhì)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模受到了限制。即使是比較容易大型化的直接燃燒發(fā)電站，單機也只有12.5MW，比之燃煤電站小了1～2個數(shù)量級。

（2）產(chǎn)品品位偏低

生物質(zhì)熱解氣化的產(chǎn)品品位，受到了生物燃料特性的限制。固體生物燃料中氧含量為40%左右，不但降低了燃料的熱值，而且遷移到產(chǎn)物中，降低了產(chǎn)品品位。對于氣化工藝，燃?xì)庵卸趸己吭?2～20%的范圍內(nèi)，降低了燃?xì)鉄嶂担米骱铣稍蠚鈺r增加了惰性氣體的含量。對于快速熱解工藝，燃料中的氧遷移到熱解油中，使其主要成分是含氧化合物，增加了精制的難度。

（3）存在著一些技術(shù)難點

經(jīng)過多年研究和發(fā)展，生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，但存在著一些尚待繼續(xù)研究的技術(shù)難點。例如：（1）氣流床、加壓流化床等制備中高熱值燃?xì)獾默F(xiàn)代氣化技術(shù)；（2）燃?xì)庵薪褂偷耐耆摮蛢艋夹g(shù)；（3）生物質(zhì)熱解油的分離、提純和精制技術(shù)；（4）定向氣化制備高品質(zhì)合成原料氣的技術(shù)；（5）生物質(zhì)熱解氣化制氫技術(shù)。這些技術(shù)的突破將推動生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的升級和推廣應(yīng)用。