生物質能資源和氣化技術

李 威

（山東洪業化工集團,山東 東明 274500）

1 生物質能資源利用

生物質是指生物體通過光合作用生成的有機物，包括所有的動物、植物、微生物以及這些生命體排泄和代謝所產生的有機物質[1]。

生物質能是人類利用最早的能源之一，分布極廣，產量巨大，具有可再生和成本低等優點。據估計，每年由植物光合作用固定下來的碳約2×1011t，蘊含約3×1021J能量，當于每年世界耗能總量的10倍，發展潛力巨大。

生物質能是人類一直賴以生存的重要能源之一，在遠古時代人們就以生物質能為能量來源加以利用[2]。生物質能在全球能源消費中仍占有重要份額（15%），僅次于煤、石油和天然氣，居于世界能源消費總量的第4位。

2 國內生物質能發展現狀

我國是一個人口眾多的農業大國，生物質能十分豐富，在我國的能源結構中占有相當重要的地位。我國每年農村的秸稈量約7億噸，相當于5億噸標準煤。另外，我國的林業廢棄物每年約3700萬立方米，相當于2000萬噸標準煤。若加上畜禽糞便、城市垃圾和工業廢水等，我國每年的生物質資源量可達6億噸以上標準煤。

目前，中國生物質能的五大戰略產品是燃料乙醇、成型燃料、工業沼氣、生物塑料和生物柴油。

3 生物質氣化原理

生物質能的開發利用十分重要，同時也有多種利用技術，如液化、堆肥、壓縮成型、氣化等。現在，開始介紹生物質能利用技術中的一種—氣化。

生物質氣化即有氧化劑參與的熱解過程，指生物質中碳、氫在高溫條件下利用空氣中的氧氣或含氧物質作為氣化劑，反應得到小分子可燃氣體的過程。燃氣中的主要成分有CO、H2、CH4、CO2、N2等，可燃氣成分主要是CO、H2和CH4。

3.1 氣化過程

氣化一般的基本反應包括：干燥、熱解、還原和氧化這四個反應。現在大部分氣化反應都是空氣氣化，反應中氧氣與生物質中可燃組分發生氧化反應，放出熱量，為其他過程提供所需熱量。總反應可寫為：

CH1.4O0.6代表的是生物質分子式。由于空氣中含有79%氮氣，不參與反應并稀釋了燃氣中可燃組分的含量，因此燃氣熱值較低，僅為4—6MJ/m3。

3.2 氣化參數

規定一些參數用以較好的描述氣化反應進行中的狀態，可以評價生物質氣化效果和描述物料物流和能量流向。包括：當量比(ER)，氣體產率（Gv，m3/kg），氣體熱值（Qv，kJ/m3），碳轉化率（%），氣化效率（η），生產強度[kJ/(m3·h)]等。

4 氣化影響因素

4.1 氣化劑的影響

生物質氣化所用的氣化劑有空氣、水蒸氣、空氣—水蒸氣、二氧化碳、水蒸氣—氧、水蒸汽—二氧化碳等。

西班牙薩拉格薩大學化學與環境工程學部的Javier Gil，Miguel A.Caballero[4]等研究了有關氣化劑類型對合成氣組分的影響。

實驗采用了三種，即空氣、水蒸氣、氧氣—水蒸氣三種氣化介質進行實驗。通過改變氣化媒介和各氣化劑的量得出較佳運行參數：

實驗得出，蒸汽氣化熱值較高，氣化效果很好，但焦油和焦炭量很大，成本也很高，空氣氣化當量比0.3，GR與S/B為0.9最佳。另外，實驗生物質為實驗配置。

4.2 生物質的影響

不同的生物質類型的氣化效果不同，美國俄克拉荷馬州立大學的生物與農林學部的Raymond Huhnke,Danielle Bellmer[4]等研究了木屑氣化，波蘭的希萊亞希大學能源中心的P.Plis[4]研究了燕麥屑氣化以及有些實驗室進行了污泥氣化的研究，其氣化結果和氣化條件相差較大。

盡管元素元素分析結果相似，但合成氣中的CO變化相差很大。一般情況，像木屑、秸稈一類的生物質含灰量小于10%，含水率約8%左右，而污泥氣一般含灰量（干燥后）在40%以上，有些污泥含水率也在40%左右。污泥氣化產物相對于木屑、秸稈等相差很大，不同生物質類型在元素分析相似時產氣率相差也有可能很大。所以，不同的生物質類型對氣化效果影響很大。

4.3 空氣當量比

空氣當量比是氣化過程中十分重要的一個參數，由于ER值過大會使生物質燃燒量增大，有利于氣化反應，但N2等含量也會增大，從而降低合成氣熱值。

漢堡—哈兒堡工業大學的Petersen[4等人研究了污水污泥在不同空氣進量的兩種高度的流化床反應器的氣化效果，并給出詳細的數據。因此可以確定某種類型的生物質的最佳ER值。

最后得出結論是增加床高有利于氣化過程，氣體停留時間的長短對氣化氣最后組成的影響十分大。

4.4 含水率

生物質的含水率對氣化結果影響也很大，希萊亞希科技大學的P.Plis[4]研究了固定床中生物質氣化的實驗過程，并通過數值計算得出木屑在當量比0.4的條件下隨含水率變化合成氣組分、熱值變化的數據。實驗發現：隨著含水率的增加，氫氣量增大，CO含量降低，合成氣的熱值也會降低。所以，生物質中含水率是氣化的不利因素，一部分熱量會以水蒸汽顯熱的方式丟失。

[1]程備久主編.生物質能學[M].化學工業出版社,2008:1-10.

[2]劉光青,董仁杰,李秀金.生物質能源轉換技術[M].化學工業出版社,2009:7-12.

[3]史濟春,曹湘洪.生物燃料和可持續發展[M].中國石化出版社,2007:4-13.

[4]Plis*,R.K.Wilk.Theoretical and experimental investigation of biomass gasification process in a fixed bed gasifier[J].Energy (2010)1-8:2-4.