生物質氣化的研究進展

摘" " " 要： 生物質能源具有安全性高、環保性強、分布廣泛、易儲存運輸和產量大的優點，生物質能已成為繼三大化石能源后的第四大能源，生物質氣化作為生物質的一種重要應用形式，具有巨大的發展潛力和價值。介紹了生物質氣化的概念、基本原理，并分析了氣化劑氣化、熱解氣化、催化氣化、等離子體氣化、超臨界水氣化等氣化技術的優缺點，同時闡述了固定床氣化爐、流化床氣化爐、氣流床氣化爐、回轉窯爐和等離子氣化爐的工作原理及各自優缺點，最后指出生物質氣化技術目前面臨的問題，提出解決措施。

關" 鍵" 詞：生物質能源； 生物質氣化； 氣化原理； 氣化技術； 關鍵設備

中圖分類號：X382文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2024）04-0606-06

隨著社會對能源需求的不斷增長，現階段石油、煤炭等化石能源面臨著資源枯竭的風險，同時存在著氣候變暖和空氣污染等問題，對社會與環境造成很大影響，因此能源問題得到重視[1]。而生物質能被認為是太陽能等所有可再生能源中最有發展前景，是繼煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源[2]。所以，生物質能源的利用引起了研究人員的高度重視，本文將對生物質氣化技術及氣化設備進行了詳細概述。

1" 生物質氣化的概念及基本原理

生物質氣化是一種將固體生物質物料（如木材、農作物殘留物、動植物廢棄物、植物纖維等）在高溫、無氧或者缺乏足夠氧氣的條件下轉化為可燃氣（通常包括氫氣、一氧化碳和甲烷等）的技術[3]。

根據反應溫度和產物不同，生物質氣化主要可以分為4個過程[3-4]：

1）干燥過程：是生物質從進料口進入氣化爐后，在熱量的作用下，將水分蒸發掉，變成干燥的生物質的過程。干燥過程的溫度一般在200～300 ℃。

2）熱解過程：又稱為干餾過程，是干燥后的生物質物料將（水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氫氣、焦油以及其他碳氫化合物等）揮發性組分迅速釋放出來的過程。此過程的溫度一般在300～800 ℃。

3）氧化過程：又稱為燃燒過程，是熱解后的木炭與引進的空氣發生極端的氧化反應，釋放大量熱量以供應其他過程所需熱量的過程。此過程的溫度一般可達到800～1 200 ℃。

4）還原過程：是還原層中的木炭與燃燒產物及水蒸氣發生化學反應，生成可與揮發組分等形成可燃氣的氣體，如氫氣和一氧化碳等。此過程一般沒有氧氣，但由于還原反應屬于吸熱反應，所以還原過程的溫度通常控制在700～900 ℃。

這一系列的過程有助于將生物質物料中的大分子揮發性物質分解，同時減少二氧化碳的生成，以最大程度地獲得可燃氣。

2" 生物質氣化技術的分類

生物質氣化有多種形式，可以按照是否使用氣化劑進行分類，生物質氣化技術的分類如圖1所示。

2.1" 氣化劑氣化

根據所使用氣化劑的種類不同，可將生物質氣化大致分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、混合氣化、氫氣氣化等[5]。

2.1.1" 空氣氣化

使用空氣作為氣化劑，讓生物質中的可燃組分與空氣中的氧氣在特定溫度下發生氧化反應生成可燃氣的技術，被稱為空氣氣化。該氣化方式是目前最為常見、經濟、適用廣泛且易于實現的氣化方法之一。這些反應是放熱的，為整個氣化過程提供了所需的熱量，使得氣化過程成為一個自供熱系統。空氣氣化生成的可燃氣的熱值通常在標準狀況下5440～7 322 kJ·m-3，屬于低熱值氣體[6]。

空氣氣化的優點是氣化劑可廣泛獲取、成本極低。缺點是氮氣的引入會導致氮氧化物的增加。

2.1.2" 氧氣氣化

利用純氧作為氣化劑的氣化技術被稱為氧氣氣化，無需外部熱源。該方式可以通過控制氧氣的供給量來控制所需的熱量，避免過度氧化。氧氣氣化產生的可燃氣（包括一氧化碳、氫氣及甲烷等）的熱值在標準狀況下介于10 878～18 200 kJ·m-3之間，屬于中熱值氣體[6]。

相較于空氣氣化，氧氣氣化可提升反應的溫度和速度。然而，純氧獲取成本較高，這使其在工業和大型氣化系統中較為常見，在小型的氣化系統中可能不太適用。

2.1.3" 水蒸氣氣化

利用水蒸氣來進行生物質氣化的技術，稱之為水蒸氣氣化。在這個過程中，水蒸氣在高溫下與生物質物料接觸，發生多種復雜的化學反應，將生物質物料中的碳氫化合物轉化為一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃氣，該可燃氣的熱值介于標準狀態下10 920～18 900 kJ·m-3之間[6]。

水蒸氣氣化需要外部提供熱源，而且技術較為復雜，難以控制和操作，因此水蒸氣氣化的推廣程度相對較低，不如空氣氣化普及。

2.1.4" 混合氣化

混合氣化技術是將水蒸氣與空氣或氧氣混合使用，作為氣化介質，從而增加氫氣和甲烷的產量。這種氣化技術相對于獨立使用空氣或水蒸氣具有明顯優勢：首先，它構建了自供熱系統，無需依賴復雜的外部熱源；其次，通過利用水蒸氣提供部分氧氣，有效地減少了對空氣（或氧氣）的需求。因為這種方法在氣化過程中需要引入水蒸氣生產設備，所以相較于純空氣氣化而言，操作上更為復雜。

2.1.5" 氫氣氣化

氫氣氣化是在特定的溫度和壓力下，利用氫氣作為氣化劑對生物質中的碳質原料進行氣化反應的過程。其產生的可燃氣主要成分是一氧化碳和氫氣。這種氣化反應所產生的可燃氣熱值可高達22 260～26 040 kJ·m-3，屬于高熱值燃氣[6]。然而，這種氣化技術需要較苛刻的反應條件，因此目前并不常見。

2.2" 熱解氣化

熱解氣化，也稱為干餾氣化，是在無氧的條件下，將生物質中的大分子有機物分解成小分子揮發性氣體，如CO、CH4、H2、C2H2，以及焦炭、焦油等產物。其焦炭和焦油產量較高、可燃氣較少。

隨著科學的發展，人們還利用最先進的微波熱解氣化技術來提高氣化效果。該技術利用一種波長在1 mm～1 m、頻率在300 MHz～300 GHz、介于無線電波和紅外輻射之間、具有極強的穿透力的電磁波[7]。該技術的原理是氣泵將一定量的空氣送入微波的反應器中，生物質和微波吸附劑變成流化狀態，迅速發生氣化反應，經過冷凝管H2、CH4、CO2、H2O等氣體產物被收集裝置收集。其氣化技術的優點是加熱速率快、反應時間短、熱效率高、氣化產物CO2含量較低，H2、CH4組分含量較高。缺點是性質不穩定、商業化進程慢[8]。

2.3" 催化氣化

生物質催化氣化是一種在氣化過程或氣化反應后階段引入催化劑，來減少焦油生成、提高氣化效率的氣化技術。催化氣化是從自20世紀80年代中期開始引起了人們越來越多的關注。常見催化劑的優缺點如表1所示。

2.4" 等離子體氣化

等離子體，又稱為等離子態、超氣態或電漿體，是不同于固體、液體和氣體的第四種物質狀態，它以電子、離子和未電離的中性粒子形式構成，可用于消除危險和城市固體廢物[13]。等離子體氣化是利用等離子體電弧產生的高溫、高能量，將大分子的有機物分解為H2、CO、CH4、CO2等小分子可燃

氣[14]。等離子氣化技術適用于處理各種固體廢棄物，包括生物質、生活垃圾以及工業或醫療行業的危險廢物等。等離子體氣化的優點是反應溫度高、反應速度快、熱值高、產生的可燃氣中焦油含量、H2和CO含量高，但是等離子體氣化設備存在成本高昂、耗電量巨大等問題使得，使該技術受限巨大[15]。

2.5" 超臨界水氣化

水的臨界溫度和臨界壓力分別為374. 3 ℃和22.1 MPa[16]，當水的溫度和壓力分別超過其臨界溫度和臨界壓力時，則處于超臨界狀態，該狀態下水的氣液分界消失，即無論怎么提高壓力水也不再液化，則稱為超臨界水（Supercritical Water，SCW），為非凝聚性流體[17]。超臨界水具有出色的溶解性能，可以溶解多種有機物和氣體，同時具有高密度、低黏性和強大的運輸能力等特點。

超臨界水氣化是一種新興的生物質氣化技術，是利用具有特殊性質的超臨界水將生物質物料高效氣化成可燃氣（以H2、CH4和CO2為主要成分[17]）的氣化技術。這種技術可以應用于處理輕質原油、廢舊輪胎、廢舊塑料、生物質等多種原料。相較于傳統氣化方法，其顯著優勢在于對含水量高的生物質可以直接氣化，不需要能耗高的干燥過程。此外，該技術具有高氣化效率，不產生焦油、木炭等副產品等特點。而超臨界水氣化反應受到溫度、壓力等條件限制，又不能自給自足地維持反應所需的最低溫度，這就導致該技術的成本費用較高。

3" 生物質氣化技術的關鍵設備

目前，氣化爐是主要用于生物質氣化技術的關鍵設備，這是生物質氣化反應的主要場所。生物質氣化爐的分類如圖2所示。

3.1" 固定床氣化爐[4]

生物質物料在與氣流接觸時是相對靜止的設備稱為固定床氣化爐，其中主要包括上吸式、橫吸式、下吸式、開心式[18]。四種固定床氣化爐的原理圖如圖3可知，固定床氣化爐的物料均是從爐體頂部進入爐膛，然后在自身重力的作用下自行下落，灰渣則會落入爐體底部。

3.1.1上吸式固定床氣化爐

在上吸式固定床氣化爐中，生物質在下落過程，被向上流動的熱氣流烘干并析出發揮性組分。氣化劑則是從下部的送風口進入，經過灰渣層時被預熱，然后在鼓風機的推動下向上流動依次經過各床層，與原料層接觸并進行氣化反應，生成的可燃氣則從爐體頂部排出，而產生的灰渣則排到氣化爐底部。

這種氣化爐的特點在于氣流與物料運動方向相反，因此也稱為逆流式氣化爐。該氣化爐具有結構簡單、氣化效率較高、可燃氣帶灰較少等優點。然而，需要注意的是，產生的可燃氣中焦油含量較高、 H2和CO含量較低、生產強度低等缺點。

3.1.2下吸式固定床氣化爐

下吸式固定床氣化爐是廣泛使用的氣化設備之一。在這種爐型的送風口位于氣化爐的中部，首先進入到氧化層進行反應，為上部的干燥層提供熱量，由于還原層在其下部，所以需要用抽風機使部分氣體向下移動。而在整個氣化爐內存在高溫喉管區，且出氣口位于氣化爐的底部，所以需要引風機抽出可燃氣。值得注意的是，氣體和生物質物料的流動方向是相同的，因此又稱為順流式氣化爐[19]。

其主要優勢包括結構簡單、易操作和可靠性強。因為熱解產物在下降過程中經過高溫的氧化層，有效分解了熱解層中的揮發性物質中的焦油，顯著降低了可燃氣中的焦油含量。然而，這種氣化爐也存在一些缺點。為了提高氧化層的燃燒速度，通常在喉管區域設置喉管，在大型下吸式固定床氣化爐中，從底部抽取可燃氣需要大功率，而喉管位于氧化層，產生高氣體阻力，可能導致床層局部過熱和燒穿問題。此外，由于生物質燃氣出口接近灰渣層，所以可燃氣中的飛灰含量較高。

3.1.3橫吸式氣化爐

這種氣化爐的氣化劑是從氣化爐的一側進入，橫貫氧化層，在氧化層和還原層進行熱化學反應，產生的可燃氣則對側排出，所以該氣化爐也稱為平吸式氣化爐。該氣化爐反應過程中爐內溫度較高，導致易生成灰渣，因此通常適用于含灰量較低的生物質物料，比如木炭和焦炭等。

3.1.4開心式氣化爐

開心式氣化爐是下吸式氣化爐的一種特殊形式。與下吸式氣化爐不同的是，它的爐柵中間是凸起的，設置成可以轉動的爐柵，使得氣化反應主要集中在爐柵上方的區域進行。該氣化爐的結構相對簡單，還原區域較小，導致反應溫度相對較低。

3.2" 流化床氣化爐[20]

通常，在流化床氣化爐的底部會設置一個氣體分布板，氣化劑在鼓風機的作用下從底部進入氣化爐，與分布板上高度粉碎的生物質物料充分接觸，進行氣化反應，最終生成的可燃氣從氣化爐頂部排出。目前，常見的流化床氣化爐有鼓泡式流化床氣化爐、循環流化床氣化爐、雙流化床氣化爐和攜帶床氣化爐。三種流化床氣化爐的原理圖如圖4所示。

3.2.1鼓泡式流化床氣化爐

鼓泡式流化床氣化爐是一種具有高效率、低成本、低能耗的氣化爐，氣體（如氧氣或空氣與蒸汽的混合物）通常從床底進入氣化室，使固體顆粒懸浮在氣流中形成鼓泡狀流態床，并發生反應，最終生成的可燃氣會從氣化爐的頂部排出。

該氣化爐的流化速度相對較慢，所以更適用于直徑大于十毫米的生物質物料。它的主要優點在于通常具有良好的混合和反應條件，以確保生物質燃料與氣化劑之間的有效接觸，從而實現高效的氣化過程，此外生成的可燃氣中焦油含量較低。而需要注意的是，灰渣排放方面存在較嚴重的問題。

3.2.2循環流化床氣化爐

與鼓泡床氣化爐相比，循環流化床氣化爐具有極快的氣化速率，它是由氣化室、再循環系統以及特殊設計的固體分離裝置組合而成的，其固體分離裝置多位于可燃氣的出口處，采用旋風分離器或布袋除塵器，將可燃氣攜帶的灰分、碳顆粒等分離出來，然后這些組分被帶入再循環系統，經過再生（即在空氣中進行燃燒）后重新注入氣化室，起到加熱和再生氣化媒質的作用。這種循環過程有助于維持氣化溫度，減少燃氣中的灰渣量，提高碳轉化率，對顆粒物料還具有較強的適應能力，所以適用于多種固體廢棄物和生物質原料。

3.2.3雙流化床氣化爐

雙流化床氣化爐是一種先進的氣化設備，一般是由兩個相互聯通的反應器組成：一個是以水蒸氣為流化介質的鼓泡床作為氣化室，另一個是以空氣或純氧為流化介質的快速床作為燃燒室[21]。生物質顆粒在第一反應器中利用第二反應器釋放出來的熱量進行干燥，當達到一定的溫度時將會進行熱分解反應，此過程生物質燃料中的大分子物質的分子鍵被打破，釋放出了CO、H2以及碳氫化合物等可燃氣。同時，未反應的碳顆粒被分離并送入第二反應器，與氣化劑進行反應。而當床層升溫到一定程度時，床料又會被送回第一反應器，為其提供熱源，實現了裝置自供熱。

雙流化床氣化爐的優點是易控制、熱量傳遞效率高、焦油含量較低，適用于不同類型的固體廢物和生物質原料。然而，由于系統復雜性較高，運行和維護的技術難度也相應增加。

3.2.4攜帶床氣化爐

攜帶床氣化爐是一種特殊類型的流化床氣化爐，它不依賴于傳統的惰性材料。由于該爐床截面較小，所以需要將原料先進行破碎，然后在高溫條件下氣化劑直接攪動生物質顆粒，進行氣化反應。

該氣化爐的運行溫度高達1 100～1 300 ℃，難以控制，且容易產生燒結。但其主要優點是可燃氣中焦油含量較少，碳轉化率可達100%[22]。

3.3" 氣流床氣化爐

氣流床氣化爐是被粉碎的小顆粒生物質燃料被氣化劑夾帶到爐內，進而在氣流床內發生反應的一種設備。氣流床氣化爐的優點是結構簡單、適應性強、可燃氣中焦油和灰渣含量較低。且在高溫反應區域，燃料迅速揮發并被氣化。然而，氣流床氣化爐也存在一些缺點：燃料在氣化介質中濃度低、與反應氣體并流導致換熱條件較差、溫度難以精確控制、有NOX的生成、能耗較高。氣流化氣化爐的兩種形式如圖5所示。

3.4回轉窯爐

回轉窯是一個水平或稍稍傾斜的筒狀容器，由如圖6（a）可知其柱體可以圍繞一個中心軸線旋轉，物料從進料口被投放到筒內，然后隨著滾筒連續不斷地運動，使氣化劑和生物質燃料之間發生反應，并且這些反應會一步步地轉移到出料口。

該設備對生物質燃料的基本要求不高，可承受較大的載荷，且具有高轉換效率、操作簡單、低成本等優點，而它在溫度控制、可燃氣中焦油含量等方面仍然存在一些挑戰。

3.5" 等離子體爐

等離子體氣化爐是一種當物料與由電生成的等離子體接觸后，將其中的有機物轉化為高質量的可燃氣、無機物轉化成玻璃化的惰性熔渣的設備[25]，如圖6（b）所示。該設備的主要優點在于氣化效率較高，且得到可燃氣中不含焦油。但其在能源消耗較大、設備成本也相對較高。

4" 生物質氣化技術存在的問題

4.1" 焦油問題[26]

在生物質氣化過程中，焦油是必然產物，遇冷時會形成液態焦油，可能會導致管道堵塞、設備腐蝕和氣缸污染等問題。

可采用物理法或化學法。物理法的原理是降溫冷凝，將焦油從燃氣中分離，并使用除塵裝置進行收集去除，但這種方法可能存在能量浪費和再次污染的風險。化學法通過化學手段將焦油轉化為小分子的可燃氣體，主要包括高溫熱解和催化裂解兩種途徑。目前，化學法被認為是解決焦油問題最有效、最經濟的方法。

4.2" 二次污染問題

是指采用水洗的方式處理生物質氣化過程所產生的焦油和灰塵時，可能會再一次污染環境。

可以先對除塵和除焦的廢水進行處理，使其達到環保標準，再將其排出，如果條件允許，可將廢水處理到工業可重復利用的標準，提高水資環利用率。

4.3" 氣體熱值偏低問題

由于生物質氣化產生的可燃氣成分較少，其熱值較低，為滿足正常的熱量需求，需要消耗大量氣體。今后，可采取調整氣化反應的溫度、壓力等條件，以提高產物中可燃氣的濃度。適當的氣化條件可以促進高熱值氣體的生成。

4.4催化劑問題

催化劑存在價格高昂、易失活、易積碳以及抗燒結性差等挑戰。今后可研究復合型催化劑。

5結束語

當前全球對碳排放的要求越來越嚴格，因此具有“碳零排放”特性的生物質能源的重要性日益凸顯。生物質氣化技術作為一種能夠將生物質原料轉化為高品質可燃氣的技術，提高了生物質能的利用效率，具有巨大的潛力和應用前景。經過多年的研究和發展，生物質氣化技術取得了重要進展，可以根據生物質原料特性、催化劑性質、生產規模等選擇合適的氣化方式和氣化爐，比如在大規模利用條件下可采用氧氣氣化、選擇循環流化床；較濕的生物質原料則可選擇超臨界水氣化。但該技術仍存在一些問題，例如焦油問題、催化劑問題、氣體熱值偏低問題等。今后應加強對生物質氣化焦油裂解原理和催化劑功能等方面的理論研究，并進行相應的技術改進。

未來，生物質氣化技術有望在供熱、供氣、發電、制氫、合成液體燃料等多個行業領域得到大規模應用。改進和推廣這一技術將有助于實現碳零排放、能源轉型和環境可持續發展的目標。

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Research Progress of Biomass Gasification

YU Meishuang， HOU Shuo

（College of Chemical Equipment， Shenyang University of Technology， Liaoyang Liaoning 111000， China）

Abstract：Biomass energy has the advantages of high safety， strong environmental protection， wide distribution， easy storage and transportation and large output， biomass energy has become the fourth largest energy after the three major fossil energy， and biomass gasification as an important application form of biomass has great development potential and value. In this paper， the concept and basic principles of biomass gasification were introduced， and the advantages and disadvantages of gasification technologies such as gasifier gasification， pyrolysis gasification， catalytic gasification， plasma gasification and supercritical water gasification were analyzed， and the working principles and respective advantages and disadvantages of fixed-bed gasifier， fluidized bed gasifier， airflow bed gasifier， rotary kiln and plasma gasifier were expounded. Finally， the problems faced by biomass gasification technology were pointed out，and the solutions were put forward.

Key words：Biomass energy; Biomass gasification; Principle of gasification; Gasification technology; Critical equipment