生物質(zhì)轉(zhuǎn)化高品質(zhì)燃?xì)饧夹g(shù)的研究進(jìn)展

焦慧強

（國網(wǎng)山西省電力公司晉城供電公司，山西 晉城 048000）

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化高品質(zhì)燃?xì)饧夹g(shù)的研究進(jìn)展

焦慧強

（國網(wǎng)山西省電力公司晉城供電公司，山西 晉城 048000）

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。

生物質(zhì)；氣化；高品質(zhì)燃?xì)?/p>

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［1］。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［2］，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?、焦油含量偏高以及氣化熱效率偏低等問題［3］，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［4］，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［5］。

國內(nèi)外對超臨界水氣化法都有較深入的研究，閆秋會［6］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［7，8］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［9，10］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［11～14］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［15］。

表1 超臨界水氣化法氣體成分對比

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。

圖1 兩步法生物質(zhì)氣化工藝路線

賴艷華等［16］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［17］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［18］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。

表2 兩步氣化法氣體成分對比

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［19］。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［20～23］。東南大學(xué)吳家樺［24］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［25］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%。

圖2 串行流化床生物質(zhì)氣化制氫原理

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［26，27］。Melchior等［28］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［29］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［30］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［31］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［32］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)嵩矗褂脷饣a(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)猓羝?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。

［1］Lei Shen，Litao Liu，Zhijun Yao，et al.Development potentials and policy options of biomass in China［J］.Environmental Management，2010（46）：539～554.

［2］趙 軍，王述洋.我國生物質(zhì)能資源與利用［J］.太陽能學(xué)報，2008，29（1）：90～94.

［3］K.N.Sheeba，Sarat Chandra Babu.Air gasification characteristics of coir pith in a circulating fluidized bed gasifier［J］.Energy for Sustainable Development，2009（13）：170～173.

［4］Yoshikuni Yoshida，Kiyoshi Dowaki，Yukihiko Matsumura，et al.Comprehensive Comparison of Efficiency and CO2Emissions Between Biomass Energy Conversion Technologies——Position of Supercritical Water Gasification in Biomass Technologies［J］.Biomass and Bioenergy，2003，25（3）：257～272.

［5］Tian Yining，F(xiàn)eng Jijun，Qing Ying，et，al.Properties of Supercritical Water and Its Application［J］.Chemistry Magazine，2002（6）：396～402.

［6］閆秋會，趙 亮，呂友軍.操作參數(shù)對纖維素超臨界水氣化制氫產(chǎn)氣性能的影響［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2009，17（2）：257～264.

［7］呂友軍，郭烈錦，郝小紅，等.鋸木屑在超臨界水中氣化制氫過程的主要影響因素［J］.化工學(xué)報，2004，55（12）：2060～2066.

［8］冀承猛，郭烈錦，呂友軍，等.木質(zhì)素在超臨界水中氣化制氫的實驗研究［J］.太陽能學(xué)報，2007，28（9）：961～966.

［9］Jale Yanik，Steve Ebale，Andrea Kruse，et al.Biomass gasification in supercritical water：Part 1.Effect of the nature of biomass［J］.Fuel，2007，86（15）：2410～2415.

［10］Jale Yanik，Steve Ebale，Andrea Kruse，Mehmet Saglam，et al.Biomass gasification in supercritical water：Ⅱ.Effect of catalyst［J］.Int J Hydrogen Energy，2008，33（17）：4520～4526.

［11］呂友軍，張西民，冀承猛，等.玉米芯在超臨界水中氣化制氫實驗研究［J］.太陽能學(xué)報，2006，27（4）：335～339.

［12］郭烈錦，張秦麗，冀承猛，等.有機廢液在超臨界水中氣化制氫的實驗研究［J］.東莞理工學(xué)院學(xué)報，2006，13（4）：34～38.

［13］呂友軍，金 輝，郭烈錦，等.原生生物質(zhì)在超臨界水流化床系統(tǒng)中氣化制氫［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2009，43（2）：111～115.

［14］呂友軍，冀承猛，郭烈錦.農(nóng)業(yè)生物質(zhì)在超臨界水中氣化制氫的實驗研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2005，39（3）：238～242.

［15］呂友軍，金 輝，郭烈錦，等.生物質(zhì)在超臨界水流化床系統(tǒng)中部分氧化氣化制氫［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2009，43（1）：5～9.

［16］賴艷華，呂明新，馬春元，等.兩段氣化對降低生物質(zhì)氣化過程焦油生成量的影響［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2002，8（5）：478～481.

［17］閆桂煥，孫榮峰，許 敏，等.生物質(zhì)固定床兩步法氣化技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41（4）：101～104.

［18］Mohammad Asadullah，Tomohisa Miyazawa，Shin－ichi Ito et al.Catalyst development for the gasification of biomass in the dual－bed gasifier［J］.Science Direct，Applied Catalysis A：General，2003（255）：169～180.

［19］Zhao ZK，Kuhn JN，F(xiàn)elix LG et al.Thermally impregnated Ni－olivine catalysts for tar removal by steam reforming in biomass gasifiers［J］.Industrial ＆amp，Engineering Chemistry Research，2008，47（3）：717～723.

［20］D Swierczynski，S Libs，C Courson，et al.Steam reforming of tar from a biomass gasification process over Ni／olivine catalyst using toluene as a model compound［J］.Applied Catalysis B，Environmental，2007，74（3）：211～222.

［21］L Garcia，A Benedicto，E Romeo，et al.Hydrogen Production by Steam Gasification of Biomass Using Ni－Al Coprecipitated Catalysts Promoted with Magnesium［J］.Energy ＆ Fuels，2002（16）：1222～1230.

［22］J Roman Galdamez，Lucia Garcia，Rafael Bilbao.Hydrogen Production by Steam Reforming of Bio－Oil Using Coprecipitated Ni－Al Catalysts.Acetic Acid as a Model Compound［J］.Energy＆Fuels，2005（19）：1133～1142.

［23］Nicholas H Florin，Andrew T Harris.Enhanced hydrogen production from biomass with in situ carbon dioxide capture using calcium oxide sorbents［J］.Chemical Engineering Science，2008（63）：287～316.

［24］吳家樺，沈來宏，王 雷，等.串行流化床生物質(zhì)氣化制氫試驗研究［J］.太陽能學(xué)報，2010，31（2）：242～247.

［25］沈來宏，肖 軍，高 楊.串行流化床生物質(zhì)催化制氫模擬研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2006，26（11）：7～11.

［26］Chen J W，Lu Y J，Guo L J，et al.Hydrogen production by biomass gasification in supercritical water using concentrated solar energy system development and proof of concept［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（13）：7134～7141.

［27］Hong H，Liu Q，Jin H.Operational performance of the development of a 15kW parabolic trough mid－temperature solar receiver／reactor for hydrogen production［J］.Applied Energy，2012，90（1）：137～141.

［28］Melchiora T，Perkinsb C，Lichtyb P，et al.Solar－driven biochar gasification in a particle－flow reactor［J］.Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2009，48（8）：1279～1287.

［29］Kalinci Y，Hepbasli A，Dincer I.Performance assessment of hydrogen production from a solar－assisted biomass gasification system［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2013，38（14）：6120～6129.

［30］陳敬煒.生物質(zhì)超臨界水氣化與直接太陽能聚焦供熱耦合制氫研究［D］.西安：西安交通大學(xué)，2012.

［31］王貝貝.太陽能驅(qū)動的生物質(zhì)超臨界水氣化制氫系統(tǒng)的優(yōu)化研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

［32］白 章，劉啟斌，李洪強，等.基于生物質(zhì)—太陽能氣化的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模擬及分析［J］.中國電機工程學(xué)報，2015，35（1）：112～118.

Research Progress on the Biomass Converting Technology for Preparing High Quality Gas

Jiao Huiqiang
（StateGridJinchengPowerSupplyCompany，ShanxiElectricPowerCompanyLimited，Jincheng048000，China）

The existing biomass gasification technology generally has the problem of low gas calorific value，high tar content and low gasification efficiency，which restrict the high efficiency utilization of biomass gasification technology in China.The research introduces four kinds of solid biomass converting technologies for preparing high quality gas（supercritical water technology method，two－step （multi－steps）gasification，interconnected fluidized beds gasification and biomass gasification method based on concentrated solar energy）.Then the article expounds the principles，key technologies and advantages of the technology.Finally，the article introduces the advanced research progress of the four technologies and analyzes the current problems need to be solved.

biomass；gasification；high quality gas

TK6

A

1674－9944（2015）08－0301－04

2015－06－04

焦慧強（1973—），男，山西晉城人，工程師，主要從事電壓無功管理、變電運行管理等工作。