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生物质气化技术面临的挑战及技术选择

摘要:生物质气化可实现低品位生物质能的深层次利用，不同地区、不同行业有不同的能源需求和产业结构，应合理选择生物质气化技术。固定床气化技术针对的是中小规模应用，该技术存在的问题包括焦油含量高、规模小、机械化和自动化程度较低、发电效率低等。流化床气化技术针对的是中等及以上规模应用，目前需要解决的问题是热效率低，发电效率低，需要开发高气化效率和无焦油的燃气型气化炉、低热值燃气轮机、高效燃气净化系统，以便采用BIGCC技术。沼气技术是一项生物质综合高效清洁利用的多联产工艺，目前急需开发高效高浓度厌氧消化的沼气发酵工艺和配套的集成设备，培育和筛选高效沼气发酵微生物菌群，简化沼气净化工序，解决沼液、沼渣的利用难题等。生物质快速热解技术是一种高温处理过程，其最大的优点是产物生物油易于储存运输，不存在产品规模和消费的地域限制问题。从工艺特点、经济效益和规模化生产来看，沼气技术更适合处理高含水的养殖业粪便，快速热解技术更适合农作物秸秆的规模化转化，燃气型气化技术更适合社区生活垃圾和农林产品加工废弃物的处理。

1前言

生物质分布广泛、数量巨大，是重要的可再生能源，在世界能源安全和碳减排中都将起到至关重要的作用。相对于其他含碳能源，生物质存在能量密度低、分布分散度高、收集运输困难以及难以大规模集中处理等不足。由于完全照搬石油炼制、煤化工和天然气利用的技术思路进行生物质能的利用和转化，造成现有大多数装置效率低、效益低，并存在二次污染，相关企业规模小、效益差，甚至必须依靠政策补贴才能生存。如何高效合理利用和转化生物质能，使其可与其他能源相竞争，成为国内外生物质能研究者和生产者面临的挑战。

气化技术是生物质能高效利用的主要方式之一，但由于难以像煤、石油和天然气化工那样容易实现大规模化，所以气化气只能用作能源，不宜作为C1化工的合成原料。气化使低能量密度的生物质从固态转化为可燃气体，相对直接燃烧具有燃烧稳定、热效率高、污染低等优点，尤其是PM2.5指数低。按照气化转化率可分为部分气化和完全气化，部分气化包括沼气发酵技术、热化学热解技术、高压液化(直接液化)技术；完全气化包括热化学气化技术，即通常所说的生物质气化。以气化方式实现低品位生物质能的深层次利用，减少矿物燃料消耗量，对提高农村生活水平、改善生态环境、保障国家能源安全等具有重要意义。

2生物质完全气化技术面临的挑战

生物质热化学气化技术是以生物质为原料，以氧气(空气、富氧性气体或纯氧等)、水蒸气或氢气等为气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质转化为可燃气体的过程。目前根据气化炉的不同，主要有固定床气化技术和流化床气化技术。气化技术可将低品位的固体生物质完全转化为高品位的可燃气体，从而广泛应用于工农业生产的各个领域，如目前的集中供气、供热和发电，以及研究中的费托合成甲醇和乙醇等第二代生物燃料。

2.1固定床气化技术

固定床气化是目前世界上应用最广、成熟度最高的生物质利用技术。作为固定床气化的核心——气化炉，其优点是装置结构简单、坚固耐用、运行方便可靠、操作和投资费用低；缺点是内部过程难以控制，易产生焦油和架桥，生产强度小。

固定床气化炉的结构主要有上吸式、下吸式和横吸式等。上吸式固定床气化炉主要有中科院广州能源所的GSQ型气化炉、中国农业机械化科学研究院的ND型气化炉、江苏省粮食局的稻壳气化炉等，另外华中科技大学、大连科技大学、印度马杜赖卡马拉大学、奥地利维也纳工业大学也对此进行了研究和实践。下吸式固定床气化炉主要是山东能源研究所的XFL系列秸秆气化炉，华南理工大学、马来西亚科技大学、印度贝拉理工和科学学院也对下吸式固定床气化炉进行了研究和实践。

目前固定床气化技术针对的是中小规模应用，急需解决的问题包括：

①焦油含量高。上吸式固定床所产燃气中含有大量的焦油，对燃气净化系统造成巨大负担，去除不净将造成管路、阀门堵塞，内燃机需频繁维护；另外，燃气冷凝产生的废水含有大量难处理的酚类物质，会造成二次污染。

②规模小。目前固定床单台产能一般都集中在200～500kW，不易放大规模，规模效益不佳。

③机械化、自动化程度较低。如某些固定床气化炉容易架桥烧结，运行时需要耗费大量人力在炉顶操作，威胁到操作人员安全。

④发电效率低。气化发电所用的内燃机一般都由低转速的柴油发电机改装而成，电转化效率只有30%，固定床气化发电效率为10%～15%。

尽管国内外大量研究者对如何处理生成的焦油进行了不少研究，但由于固定床气化技术焦油处理难度大、成本高，且难以根治，加之不适应规模化发展的要求而不具有竞争力。

2.2流化床气化技术

流化床气化炉的优点是传热传质均匀，气化反应速度快，碳转化率高，易放大设计；缺点