陈颖颀，王赛娅，金彦礼，于戈文

（内蒙古科技大学化学与化工学院，内蒙古包头014010）

　　摘要：阐述了生物质新型气化技术的原理和优缺点，介绍了以生物质气化为龙头的多联产工艺路线、耦合方式及其特点，对系统物质能量利用研究及其分析方法进行了概括，最后提出了生物质的开发和利用要坚持以提高生物质利用率、寻求生物质气化多联产系统最佳耦合方式为目标。

　　国内当前面临着环境危机和化石能源供应不足的现状，重视清洁能源的发展，减少CO₂排放，开发能量利用效率高和对环境友好的多联产系统是解决能源可持续发展的重要途径之一。鉴于我国是农业大国，生物质资源丰富，初步估算全国生物质资源，含农作物秸秆、农产品加工剩余物和食品工业的废物等资源每年总共约合4.6亿t标准煤，但利用率低，仅占7.6%[1]。《2018可再生能源年度报告》预测未来5年，可再生能源增量的40%将来自生物质能[2]。

　　生物质能源以绿色性、可再生性、分布广泛性等优点成为当今世界的重要能源，与煤相比生物质的硫、氮含量很低，燃烧时产生SO₂、N_xO_y等污染物含量少，相比较其他化石能源对环境污染小[3-4]。但生物质能源的利用还面临着新挑战，利用率低、商业化发展缓慢、经济效益低下等问题都制约了它的发展，国内众多研究者都在致力于研发新工艺和新设备。饶东等[5]选用木屑为材料，基于生物质化学链气化技术建立了一种氢-电-甲醇多联产工艺，省略净化和变换的过程，直接生产适合的碳氢比，生物质的利用率和经济效益大幅度提高。Peng等[6]提出了SOFC（固体废物氧化燃料电池）、等离子气化技术、燃气轮机和超临界CO₂循环组成的垃圾-能源热电联产系统，将医疗废物通过等离子气化技术转化为清洁的合成气，冷却后进入SOFC产生电能，同时燃气轮机、超临界CO₂循环和余热回收装置利用SOFC顶层循环的废气和等离子气化产生的合成气发电和供热，真正实现了节能减排、提高效益的目的。

　　1生物质气化技术的发展现状

　　我国的生物质研究起步于20世纪80年代，生物质能的利用转化技术主要包括物理化学转化技术、生物化学转化技术及热化学转化技术[7]。其中热化学转化技术是生物质转化技术的研究热点和主要利用途径，生物质热化学转化技术又分为生物质热解技术、生物质气化技术和生物质液化技术。生物质气化技术作为生物质能源常见的利用形式，能够高效利用生物质资源，生产清洁燃料，与直接燃烧相比具有良好的环境效益和资源利用率。生物质气化是以空气、氧气、水蒸汽为气化剂，在高温下发生干燥、热解、氧化和还原反应，转化为气态产物（CO、H₂、CH₄、H₂O以及多种轻烃等）、液态产物（焦油、生物油、汽油等）和固态产物（焦炭），气化后的合成气可以通过FT合成制油和IGCC技术发电。目前生物质气化应用规模最大的是热电联产，世界上首个IGCC电厂由SydkraftAB建于瑞典Varnamo[8]。以木材为原料，使用加压循环流化床气化技术，发电效率为32%。

　　2生物质新型气化技术

　　2.1等离子体气化技术

　　等离子体是不同于固态、液态、气态形式的第四种状态，又称电离了的“气体”，整体呈电中性状态。等离子气化技术主要适用于城市固体废物的处理，包括原料预处理装置、等离子气化炉、净化装置等，利用等离子体温度高的特性，提供了一个高温达4000～7000℃的反应环境，有机化合物被热分解，转化为无焦油、高质量合成气，大幅度提高了反应速率。该技术优点是原料预处理要求低，合成气的污染物含量少，反应时间短，规模化放大容易；缺点是融化的材料在管道中容易出现凝固的现象，维护、运营成本高[9]。国内中国科学院等离子体物理研究所建成的一座熔炉式等离子体炉[10]，通过放电产生高温电弧，高温电弧加热流过的气体介质从而产生等离子体，在缺氧高温的条件下将复杂、有毒、有害的固体废物完全分解，为固体废物的处理开辟了新途径。

　　2.2超临界水气化技术

　　超临界水气化技术（SCWG）是将高水分的生物质转化为高品质合成气的一种技术，是高效高产制氢的新方向。在20世纪70年代中期由美国麻省理工学院提出，水在温度374.15℃、压力22.12MPa的超临界状态下有很强的溶解能力，将生物质中的各种有机物溶解，经过高温分解、异构化、脱水、裂化、浓缩、水解、蒸汽重整、甲烷化、水气转化等反应过程生成高密度、低黏度的液体，经过高温、高压的反应条件迅速气化，最后生成富氢气的混合气体。优点是不经过干燥过程，直接将湿生物质气化，节约成本；缺点是过程复杂、不易操控，实验和工业规模尚有差距。Demirel等[11]在KOH催化剂的作用下，研究反应参数对果浆超临界气化技术制氢的影响，KOH催化剂通过水气转移反应促进生物质分解，抑制焦油的生产，提高气体产量，同时KOH捕获CO₂，使水气转移向反应生成H₂的方向进行。

　　2.3微波热解气化技术

　　微波是一种波长在1mm～1m，频率在300MHz～300GHz的电磁波，介于无线电波和红外辐射之间，穿透力极强，能够深入物质内部[12]。传统热解技术是由外至内，采用热传导、热对流和辐射方式加热，传递过程会损耗热量且加热速率慢。微波热解技术不同于传统的热解技术，热量来源是物质内部反应物吸收微波热量后自身进行转动、碰撞和摩擦[13]将微波能量转化为热量。目前微波加热已经成功应用于油棕壳、柳枝稷、稻草、污泥和松木屑等生物质原料的加工利用过程中[14]。优点是加热速率快、反应时间短、热效率高、气化产物CO₂含量降低，H₂、CH₄组分含量提高。缺点是油产率低、性质不稳定、商业化进程慢。Vecten等[15]首次在微波等离子体反应器中以纯蒸汽作为等离子体工作气体，详细研究了利用等离子体气化技术转化为可燃气的过程，在最高微波功率6kW时，生物质碳转化率达98%以上，合成气中氢含量丰富，体积分数在45%～65%，未参与反应的蒸汽则进行冷凝，生产热值范围在10.5～12.0MJ/m³的合成气。微波气化技术的原理是气泵将一定量的空气送入微波的反应器中，生物质和微波吸附剂变成流化状态，迅速发生气化反应，经过冷凝管H₂、CH₄、CO₂、H₂O等气体产物被收集装置收集[16-17]。

　　3生物质多联产的特点

　　20世纪80年代，著名科学家吴仲华先生就基于能量转化的基本定律提出了总能系统的概念，在化学能物理能综合梯级利用原理的指导下，提倡按照“温度对口、梯级利用”的能源利用原则，使不同品质的能源对口供应，生物质气化多联产技术正是基于此等原则提出的。生物质气化多联产技术从多联产系统层面看，集成理论包括系统概念、系统集成思路和系统设计原则3个方面[18]。工艺路线如图1所示，是以气化技术为核心，将独立单元中高效的子系统进行集成和优化，联产可燃气、提取液和生物质炭，改善了单产系统所面临副产物资源浪费的现象，被认为是能源高效利用的有效途径，可以实现多种原料的输入和产出。以生物质气化为核心的多联产系统是针对我国目前面临的化石能源供应不足、经济效益低下、环境污染严重、能源利用效率低等一系列问题提出的一种解决我国能源领域所面临问题的途径。Ma等[19]设计和搭建了一套190kW生物质固定床气化多联产的中试实验装置，以物质木屑为原料，联产生物质燃气、木炭和提取液，碳转化率为73.91%，多联产系统效率为95.84%。

　　4生物质多联产气化的工艺路线

　　4.1活性炭、热、肥、电联产

　　我国一直都是农业大国，蕴含大量的农林作物、禽兽粪便和垃圾衍生生物资源，因生物质转化设备的不成熟尚未得到完全的开发利用。基于南京林业大学生物质气化多联产技术建成的3MW杏壳气化发电联产活性炭、热、肥项目，生物质综合效率提升80%～120%[20]，低能耗，为适合中国能源发展和减排提供了新方法。如图2所示，生物质在热裂解过程生成的生物质炭，经过回转活化炉的活化阶段变成具有吸附能力的活性炭，剩余的尾炭制备炭基肥，合成气经过分离、变换、净化送入内燃机进行发电，提取液用于水果种植，热水供应宾馆、浴室。

　　4.2合成天然气、热、电联产

　　利用生物质气化产生的合成气，在变换单元进行水气转换，调整H₂与CO的比例超过3，在净化单元去除颗粒、焦油、碱和硫[21]，之后进入到天然气合成单元。在此工艺中，净化后的合成气除用于合成天然气，还可用于联合循环发电单元进行发电，天然气产品的显热经热回收单元后产生蒸汽，也进入联合循环底循环进行发电。工艺路线如图3所示。

　　4.3油电联产

　　由于我国石油资源相对短缺，以气化技术和FT合成技术为核心的间接液化技术是弥补油品缺口的主要方案之一。白亮等[22]介绍了煤的间接液化工艺，并分析了技术的经济性。孙启文[23]研究了煤间接液化过程中气化炉、FT合成反应器和FT合成催化剂的问题，分析了具有我国自主知识产权的煤间接液化技术建设100万t级以上工业化装置在技术、经济上的可行性。Li等[24]利用Aspen Plus软件，研究了以热解为基础的煤分级转化多联产（CSCP）装置稳态过程模拟和技术经济分析，通过对甲烷化装置的优化，选择相同容量的常规超临界循环流化床（SCCFB）与电厂进行对比。模拟结果表明，CSCP系统的系统能量和㶲效率比传统SCCFB电站高，CSCP工厂在不久的将来将具有实际和经济优势。根据化工单元和动力单元的耦合情况，多联产的集成方式分为串联型和并联型2种。串联型能量转化利用程度高，实现了能量的合理利用，缺点是电力输出小；并联型虽能量利用率低，但是具有灵活性。本文中重点对并联型油电联产的工艺路线进行描述，如图4所示，生物质经过空分、气化、变换、净化单元，之后进入到FT合成单元生成液态烃，在油品精制单元生产石脑油、柴油，FT合成的尾气和富H₂的可燃气通往IGCC进行发电，排出来的尾气进行余热回收利用，该工艺路线可根据市场要求，灵活调节分流比，避免了产能过剩的情况，提升了经济价值，具有较高的灵活性，实现了对化工生产过程和高效循环发电过程的耦合。

　　5生物质气化多联产系统总能评价思路

　　5.1热效率

　　以生物质气化为核心的多联产系统在热效率方面研究较为成熟，热效率基于热力学第一定律从能量守恒方面揭示了系统能量利用情况，是对系统热力学性能进行评价的指标。定义为有效利用的能量占输入系统能量的比例，公式为：

　　5.2㶲分析

　　㶲是从“质”与“量”相结合上科学地评价能量“价值”的一种物理量，是能量可用程度的评价指标。在多联产系统的能量分析中㶲分析关注的是㶲效率和㶲损失，㶲效率显示能量利用的合理性，㶲损失揭示系统能量损失的真实情况，能够更加深层次反映能量利用和损耗情况。

　　化学过程的㶲损失包括反应过程驱动力的㶲损和反应过程释放的热㶲损2部分，分析了多联产系统㶲损的分布情况，指出了系统的㶲损失主要集中于动力单元，主要原因在于生物质气化多联产系统在制取化工产品的过程中，在动力单元的能量交换过程中能量释放侧与能量接收侧品味差大，致使该过程的㶲损失大。

　　5.3碳、氢元素利用率

　　生物质主要由碳、氢、氧、氮元素组成，经过一系列转化反应，生物质中复杂的大分子被分解，从元素利用的角度，在生物质气化多联产系统中，最终进入到化工产品的元素定义为有效元素。碳、氢元素利用率的定义为化工产品中的碳、氢元素占原料碳、氢元素的百分比，是衡量系统物质利用和化学转化进行程度的重要指标。

　　在并联型多联产系统中，随着分流比的提高，碳、氢元素利用率呈线性增加，究其原因是从物质利用的角度出发，进入到化工产品生产单元的合成气越多，系统物质利用率越高。在串联型多联产系统中，物质利用程度与循环比和变换程度有关，随着循环比的增加，合成气的总转化率增加，转移到化工产品的C、H元素增加，利用率提高。

　　6结论和展望

　　目前对生物质资源的研究从理论上的可行性转向经济效益和可持续发展的可行性上面。生物质气化多联产技术改善了传统生物质利用所面临的能源利用效率低、设备落后和经济效益不足的问题，是解决我国能源、环境和液体燃料短缺问题的重要战略方向。生物质气化多联产系统是高度整合的系统，每一个环节都影响整体效率。对多联产系统进行整体的能量分析，得到系统能量利用和损失情况，经过分析可得到系统优化的方向。生物质气化多联产系统已有若干实例，但是因多联产系统本身的复杂性、耦合性和产品多样性的问题，在系统集成设计、能量利用评价和环境效益需要进一步研究。