田原宇1，2，喬英云2

(1.中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東青島266580；2.山東省高校低碳能源化工重點實驗室(山東科技大學)，山東青島266590)

摘要:生物質氣化可實現低品位生物質能的深層次利用，不同地區、不同行業有不同的能源需求和產業結構，應合理選擇生物質氣化技術。固定床氣化技術針對的是中小規模應用，該技術存在的問題包括焦油含量高、規模小、機械化和自動化程度較低、發電效率低等。流化床氣化技術針對的是中等及以上規模應用，目前需要解決的問題是熱效率低，發電效率低，需要開發高氣化效率和無焦油的燃氣型氣化爐、低熱值燃氣輪機、高效燃氣凈化系統，以便采用BIGCC技術。沼氣技術是一項生物質綜合高效清潔利用的多聯產工藝，目前急需開發高效高濃度厭氧消化的沼氣發酵工藝和配套的集成設備，培育和篩選高效沼氣發酵微生物菌群，簡化沼氣凈化工序，解決沼液、沼渣的利用難題等。生物質快速熱解技術是一種高溫處理過程，其最大的優點是產物生物油易于儲存運輸，不存在產品規模和消費的地域限制問題。從工藝特點、經濟效益和規模化生產來看，沼氣技術更適合處理高含水的養殖業糞便，快速熱解技術更適合農作物秸稈的規模化轉化，燃氣型氣化技術更適合社區生活垃圾和農林產品加工廢棄物的處理。

1前言

生物質分布廣泛、數量巨大，是重要的可再生能源，在世界能源安全和碳減排中都將起到至關重要的作用。相對于其他含碳能源，生物質存在能量密度低、分布分散度高、收集運輸困難以及難以大規模集中處理等不足。由于完全照搬石油煉制、煤化工和天然氣利用的技術思路進行生物質能的利用和轉化，造成現有大多數裝置效率低、效益低，并存在二次污染，相關企業規模小、效益差，甚至必須依靠政策補貼才能生存。如何高效合理利用和轉化生物質能，使其可與其他能源相競爭，成為國內外生物質能研究者和生產者面臨的挑戰。

氣化技術是生物質能高效利用的主要方式之一，但由于難以像煤、石油和天然氣化工那樣容易實現大規模化，所以氣化氣只能用作能源，不宜作為C1化工的合成原料。氣化使低能量密度的生物質從固態轉化為可燃氣體，相對直接燃燒具有燃燒穩定、熱效率高、污染低等優點，尤其是PM2.5指數低。按照氣化轉化率可分為部分氣化和完全氣化，部分氣化包括沼氣發酵技術、熱化學熱解技術、高壓液化(直接液化)技術；完全氣化包括熱化學氣化技術，即通常所說的生物質氣化。以氣化方式實現低品位生物質能的深層次利用，減少礦物燃料消耗量，對提高農村生活水平、改善生態環境、保障國家能源安全等具有重要意義。

2生物質完全氣化技術面臨的挑戰

生物質熱化學氣化技術是以生物質為原料，以氧氣(空氣、富氧性氣體或純氧等)、水蒸氣或氫氣等為氣化劑，在高溫條件下通過熱化學反應將生物質轉化為可燃氣體的過程。目前根據氣化爐的不同，主要有固定床氣化技術和流化床氣化技術。氣化技術可將低品位的固體生物質完全轉化為高品位的可燃氣體，從而廣泛應用于工農業生產的各個領域，如目前的集中供氣、供熱和發電，以及研究中的費托合成甲醇和乙醇等第二代生物燃料。

2.1固定床氣化技術

固定床氣化是目前世界上應用最廣、成熟度最高的生物質利用技術。作為固定床氣化的核心——氣化爐，其優點是裝置結構簡單、堅固耐用、運行方便可靠、操作和投資費用低；缺點是內部過程難以控制，易產生焦油和架橋，生產強度小。

固定床氣化爐的結構主要有上吸式、下吸式和橫吸式等。上吸式固定床氣化爐主要有中科院廣州能源所的GSQ型氣化爐、中國農業機械化科學研究院的ND型氣化爐、江蘇省糧食局的稻殼氣化爐等，另外華中科技大學、大連科技大學、印度馬杜賴卡馬拉大學、奧地利維也納工業大學也對此進行了研究和實踐。下吸式固定床氣化爐主要是山東能源研究所的XFL系列秸稈氣化爐，華南理工大學、馬來西亞科技大學、印度貝拉理工和科學學院也對下吸式固定床氣化爐進行了研究和實踐。

目前固定床氣化技術針對的是中小規模應用，急需解決的問題包括：

①焦油含量高。上吸式固定床所產燃氣中含有大量的焦油，對燃氣凈化系統造成巨大負擔，去除不凈將造成管路、閥門堵塞，內燃機需頻繁維護；另外，燃氣冷凝產生的廢水含有大量難處理的酚類物質，會造成二次污染。

②規模小。目前固定床單臺產能一般都集中在200～500kW，不易放大規模，規模效益不佳。

③機械化、自動化程度較低。如某些固定床氣化爐容易架橋燒結，運行時需要耗費大量人力在爐頂操作，威脅到操作人員安全。

④發電效率低。氣化發電所用的內燃機一般都由低轉速的柴油發電機改裝而成，電轉化效率只有30%，固定床氣化發電效率為10%～15%。

盡管國內外大量研究者對如何處理生成的焦油進行了不少研究，但由于固定床氣化技術焦油處理難度大、成本高，且難以根治，加之不適應規模化發展的要求而不具有競爭力。

2.2流化床氣化技術

流化床氣化爐的優點是傳熱傳質均勻，氣化反應速度快，碳轉化率高，易放大設計；缺點是可燃氣中灰分含量高，設備結構復雜，原料需粉碎細化。

流化床氣化技術分為鼓泡流化床型、循環流化床型和雙床型等。鼓泡流化床氣化技術主要有華北電力大學、河南科學院和浙江大學等進行了研究和小試。德國、瑞典、芬蘭、澳大利亞、美國、加拿大等國已將循環流化床氣化技術工業化應用，另外上海發電設備成套設計研究院、中科院廣州能源所、中國科技大學、中國石油大學、山東科技大學、哈爾濱工業大學、華南理工大學、伊朗科技大學、美國西弗吉尼亞大學、埃及米尼亞大學、意大利拉奎拉大學等也對該技術進行了研究和中試。筆者在循環流化床氣化的基礎上，將流化床半焦氣化和生物質提升管臨氫熱解耦合，開發了生物質循環流化床分級熱解氣化技術，裂解焦油，富產甲烷，提高了燃氣熱值，從源頭上消除了含酚廢水的污染。

流化床氣化技術針對的是中等及以上規模應用，急需解決的問題包括：

①氣化氣中仍存在焦油，使氣化發電及供氣系統無法長期穩定運行，還會引起二次廢水污染。

②高溫粗燃氣和發電機尾氣的余熱未加以利用，熱效率低，發電效率低，流化床氣化發電效率只有15%～25%，而氣化-燃氣輪機聯合循環發電技術(BIGCC)的發電效率也只能達到35%。

③需要開發高氣化效率和無焦油的燃氣型氣化爐，提高燃氣熱值，便于采用BIGCC熱電聯供。

④采用BIGCC技術需要開發結構簡單、運行成本低的低熱值燃氣輪機和高效燃氣凈化系統。

⑤BIGCC技術需要規模化開發應用，解決氣化氣成本問題。

生物質循環流化床氣化，未完全反應的碳粒可通過返料器返回氣化爐進一步反應，以提高氣化效率，提高燃氣熱值，燃氣熱值可達到5～8MJ/m3(標準狀態)。有床料的循環流化床原料適應性強，可將較長的秸稈打碎(一般5cm以下的秸稈都可以充分反應)，床料可使加入的生物質料迅速升溫，減少氣化反應時間，生成更多可燃成分。熱燃氣直接利用，可以避免焦油冷凝對管道設備的污染，這將是下一步生物質規模化完全氣化技術的主要發展方向。

3生物質部分氣化技術面臨的挑戰

生物質部分氣化是生物質隔絕空氣，在生物酶或高溫高壓條件下，通過生化反應或熱化學反應將部分生物質轉化為燃氣，部分轉化為燃油-半焦或沼液-沼渣的過程，是生物質能高效梯級利用的多聯產工藝。基于綜合效益和發展趨勢，本文以沼氣技術和快速熱解液化技術為例進行分析。

3.1沼氣技術

人畜糞便、秸稈、污水等各種有機物在密閉的沼氣池內，在厭氧(沒有氧氣)條件下發酵，經微生物分解轉化產生沼氣。沼氣是一種混合氣體，由50%～80%的甲烷、20%～40%的二氧化碳、0～5%的氮氣、小于1%的氫氣、小于0.4%的氧氣和0.1%～3%的硫化氫等氣體組成，除直接燃燒用于炊事、烘干農副產品、供暖、照明和氣焊等以外，還可用作內燃機的燃料，沼氣發電還可作為分布廣泛且價廉的分布式能源。經沼氣裝置發酵后排出的料液和沉渣，含有較豐富的營養物質，可用作肥料和飼料。另外，由于腐熟程度高使肥效更高，糞便等沼氣原料經發酵后，絕大部分寄生蟲卵被殺死，可以改善農村衛生條件，減少疾病的傳染。因此，沼氣技術是適合三農的一項生物質綜合高效清潔利用的多聯產工藝。目前急需解決的問題包括：

①急需開發高效高濃度厭氧消化的沼氣發酵工藝和配套的高效集成式設備，既要保持厭氧污泥菌群有足夠長的停留時間(污泥齡)，又要保證進入池內的污水與厭氧污泥有充分的親密接觸，還要保證池體介質溫度在20℃以上且不用耗能加溫，而且不能發生固體物堵塞問題，使單位設備容積產氣量(即產氣率)在中溫下提高到10m3沼氣/(m3·d)以上，滯留時間縮短到幾天甚至幾小時。

②培育和篩選發酵性細菌、產氫產乙酸菌、耗氫產乙酸菌、食氫產甲烷菌、食乙酸產甲烷菌等各種微生物協同作用的高效沼氣發酵微生物菌群，提高生物質的利用率和沼氣產量。

③提高機械化、自動化程度，降低發酵操作能耗，簡化操作工序。

④簡化凈化工序，提高甲烷純度和清潔度。

⑤開發適合沼氣特點的甲烷壓縮、發電和熱電冷多聯供的小微型高效設備，擴大沼氣的利用途徑，提高附加值。

⑥需要解決大中型沼氣工程的沼液和沼渣利用難題。

大中型沼氣工程效率高，產氣量大，規模集中便于管理、凈化和高效利用，符合農村集約化和城鎮化發展的需求，是今后沼氣技術發展的方向。

3.2生物質快速熱解技術

生物質快速熱解是一種高溫處理過程，生物質在隔絕空氣條件下快速加熱，通過熱化學方法將原料直接裂解為粗油，反應速度快、處理量大。生物油為主要產品，干基產率在70%左右，副產物為半焦、灰渣和氣體，整個系統無廢氣排出，處理過程幾乎無污染。氣體熱值高達5000kcal/m3(1kcal=4.186kJ)，除直接燃燒用于炊事，還可用作發電和熱電冷多聯供等；半焦可用作固體燃料、土壤改良劑、肥料緩釋增效的載體以及高性能活性炭的原料等；灰渣富含鉀、硅、鎂、鐵等作物所需元素，可用于肥料。生物質快速熱解液化的最大優點，在于其產物生物油易于儲存、運輸，為工農業大宗消耗品，不存在產品規模和消費的地域限制問題。生物油不但可以簡單替代傳統燃料，還可以從中提取許多附加值較高的化學品。通過分散熱解、集中發電的方式，熱解生物油可通過內燃機、燃氣渦輪機、蒸汽渦輪機完成發電，這些系統可產生熱和能，能夠達到更高的系統效率，一般為35%～45％，并大大降低了農林廢棄物的運輸和儲存成本以及場地費用等。

利用固體熱載體循環快速熱解被認為是解決上述問題最有可能工業化的工藝，但普通循環流化床熱解需要流化氣，流化磨損產生大量細粉而導致需要油中脫灰，能耗過高。與普通流化床相比，下行流化床具有順重力場并流下行運動，固固或氣固接觸時間短，反應快，徑向分布均勻，返混小，并能靈活地調節固固或氣固比等顯著優點，適合生物質快速裂解。但也存在急需解決的問題：

①熱解裝置的固固或氣固快速混合、快速分離與急冷、油中脫灰、降低油中水含量、消除鉀影響、保證長周期運行等難題；

②工業化和規模化問題；

③生物油精制改性，提高穩定性和熱值，生產車用替代燃料，拓寬生物油利用途徑；

④開發木醋液、半焦和灰渣的綜合利用技術，提高附加值。

筆者通過熱解工藝和設備一體化開發了生物質自混合下行式循環流化床快速熱解技術。與代表國際先進水平的荷蘭Twente大學和UOP公司的生物質熱解工業化技術相比，解決了國內外生物質熱解存在的反應器機械運動部件高溫磨損、流化氣稀釋耗能、系統熱效率和液收率低、油中帶灰、產品含水高、生物油加熱自聚以及工業放大和長周期運行等難題。2009年已經完成第二套最佳農作物秸稈處理2×104t/a的工業示范，實現了裝置定型和標準化。2012年在山東廣饒建成目前世界上規模最大的首座20×104t/a生物質自混合下行循環流化床快速熱解裝置，并投產成功。

4生物質氣化技術的選擇

由于發達國家農林業及企業規模較大，生物質燃料相對比較集中，多采用大型氣化設備，設備自動化程度高，因此生物質氣化及發電技術在發達國家已受到廣泛重視，生物質能占能源消費結構的比重迅速增加。另外，還有研究機構開展了生物質氣化合成甲醇、氨的研究工作，但由于生物質密度低、集散困難，難以規模化氣化，其產品的經濟性還無法與石油、煤化工相競爭。

目前我國農林業及林產品加工企業以中小型和分散經營為主，雖統計生物質絕對量較大，但難以集中利用。我國農村地區目前仍以生物質能為主要能源，能源轉換技術落后，效率低下，且污染環境，農民生活質量難以提高，迫切需要改善燃料結構，提高能源利用效率。另外，農林產品加工企業有大量集中的生物質廢棄物，自身又需要大量的熱電冷，急需合理高效清潔的生物質利用和轉化技術滿足自身的能源需求，使資源最大化利用，消除污染。不同地區、不同行業具有不同的能源需求和產業結構，應合理選擇生物質氣化技術，最優化利用不同類型的生物質能，降低成本，實現效益最大化。

4.1農村能源

近年來由于農業效益低，農村青年務農人數下降，耕作農民平均年齡接近50歲，農村土地流轉、集約化高效經營在未來20年內不可避免，農業秸稈集中度將提高，急需生物質全株化利用提高農業效益。農村城鎮化建設也是大勢所趨，規模化、高效清潔化的農村能源成為下一步發展方向。

農作物秸稈來源方便、成本低，適于作為農村能源。但隨著農村城鎮化建設的有序展開，利用氣化解決農村能源需求只需要少部分秸稈，大量剩余的秸稈需要就地轉化。以沼氣技術和快速熱解技術為代表的生物質部分氣化技術能夠將農村能源建設、生態建設、環境建設、農民增收、農民就地化就業、社區化分布式能源利用等鏈接起來，實現生物質梯級綜合利用，因而將有很好的發展前景。

作為農村三大類生物質，養殖業糞便含水高，適于發酵產甲烷的組分多；而熱解前需要干燥，能耗過高。農作物秸稈含水量相對較低，適于發酵產甲烷的組分少，甚至部分秸稈(如棉花秸稈)無法用作沼氣原料；但熱解制油產率高，能耗低，適于規模化。社區生活垃圾由于成分復雜、有害組分多，不宜梯級利用；而氣化產物組分單一，無二次污染。因此，從工藝特點、經濟效益和規模化生產來看，沼氣技術更適合處理高含水的養殖業糞便，快速熱解技術更適合于農作物秸稈的規模化轉化，燃氣型氣化技術更適合于社區生活垃圾處理。

養殖業設施大多建在農田附近，以養殖業糞便沼氣發酵綜合利用技術為紐帶，可促進養殖業適度規模化發展，解決了城鎮化后農民增收和就地化就業難題。沼氣用作農村清潔能源，用于農戶生活用能和農副產品生產加工，解決了城鎮化后農村社區的分布式能源供應，有利于推廣高效節能的熱電冷多聯供。產生的沼液、沼渣基本可以滿足當地農業生產的需要，沼液用作飼料、生物農藥、培養料液和葉面肥及沖施肥等的生產，沼渣就地用作有機底肥，解決了大中型沼氣工程存在的沼液和沼渣利用難題，改良了土壤，增加了耕地肥力和保肥保水性，并使集約化經營后的糧食品質和產量都能得到保證。以沼氣為紐帶，對沼氣、沼液、沼渣多層次利用的生態農業模式，使農村能源建設、農業生態建設、農村環境建設、農民增收和就業鏈接起來，是解決集約化養殖場污染治理難題、改善農村環境衛生的有效措施，是發展綠色種植業、養殖業的有效途徑，將成為農村經濟新的增長點。

城鎮化后大量農作物秸稈富余，并且易于收集和分散儲存，解決了生物質快速熱解技術規模化的原料集散難題。農作物秸稈快速熱解制油規模大、效益高、相關就業人數多，加以培訓就能解決中青年農民的就地化就業，可實現集約化種植和農村能源生產互補發展。熱解氣體熱值高、有害成分少，除了用于社區能源供應以外，還可用于農副產品生產加工、發電和熱電冷多聯供等。熱解半焦的熱值相當于標準煤，不含硫，可作為優質固體燃料或成型燒烤燃料銷售，還可作為土壤改良劑、肥料緩釋增效的載體用于農業生產，以提高土壤透氣性。另外，半焦粉碎成型生產高性能活性炭也是解決規模化應用、提高附加值的有效途徑。灰渣富含鉀、硅、鎂、鐵等作物所需元素，改性生產肥料能夠大幅度提高作物的抗逆性、品質和產量。

主要產品生物油為工農業大宗消耗品，不存在產品規模和消費的地域限制問題，經過梯級分離和精制改性，生物油不但可以簡單替代車用燃料和鍋爐發電燃料，緩解風電和太陽能發電等可再生能源不穩定、難入網的難題，而且還可從中提取許多附加值較高的化學品。通過分散熱解、集中發電的方式，熱解生物油的重油通過BIGCC能夠達到更高的系統效率，一般為35%～45％，同時大大降低了農林廢棄物的運輸和儲存成本以及場地費用等。

發展和推廣生物質快速熱解液化技術可彌補我國石油缺口，有利于最大化利用生物質能，緩解風電和太陽能發電因間歇性對電網造成的沖擊，減少環境污染，改善農村產業結構和缺能現狀，解決農民增收和就業問題，符合國家能源戰略發展方向和生物質資源高值高效化綜合利用的最終要求。同時，也為我國節能減排和發展低碳經濟，解決能源安全和三農問題提供了技術和資源支撐。

4.2工廠能源

農林產品加工企業有大量集中的生物質廢棄物，同時也需要大量的熱電冷能源，一般遠離農田，最佳利用途徑是采用規模化和高效化的大中型生物質氣化，提供優質清潔的燃氣和熱電冷多聯供。副產少量的灰渣富含鉀、硅、鎂、鐵等作物所需元素，可改性生產肥料，實現資源的梯級綜合利用。

生物質氣化氣可用于木材干燥，氣化氣燃燒過剩空氣系數低、熱效率高，產生的干熱氣體直接進入干燥窯烘干木材，無需換熱設備，比老式直燃窯爐節能50%以上。與換熱器匹配可用于藥品、果品、茶葉、谷物的烘干。

5結語

生物質氣化實現了低品位生物質能的深層次利用，而不同的氣化方式具有不同的適用地區和行業，因地制宜合理選擇，才能實現生物質能的高效清潔利用和轉化，實現最大化利用資源，獲取較大的附加值。從工藝特點、經濟效益和規模化生產來看，沼氣技術更適合處理高含水的養殖業糞便，快速熱解技術更適合于農作物秸稈的規模化轉化，燃氣型氣化技術更適合于社區生活垃圾和農林產品加工的生物質廢棄物的處理。