楊坤馮飛宋小斌董尊久陳光猛
（南京化工職業技術學院，南京 210048）
摘要：介紹了生物質氣化的基本原理及有關氣化工藝，闡述了常見的生物質氣化反應器（氣化爐）工作原理及其優缺點，解釋了氣化劑、原料粒徑、溫度、壓力等操作條件對生物質氣化的影響，最後討論了目前生物質氣化技術存在的問題並進行展望。
亟待解決的問題.
關鍵詞：生物質；氣化；應用現狀；發展趨勢；流化床；雙流化床
生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物。生物質能是太陽能以化學能形式儲存在生物質中的能量形式，以生物質為載體的能量。化石燃料的使用帶來了一系列的環境、社會和政治問題，而生物質能具有清潔性、充足性、可再迴圈、易於儲存和運輸、便於轉換等優點，因此被認為是21世紀最具發展前景的新能源之一。
生物質氣化是生物質能化學轉化利用的重要方面。
1 生物質氣化技術
1.1 生物質氣化簡介
生物質氣化是指固態生物質原料在高溫下部分氧化的轉化過程。該過程直接向生物質通氣化劑，生物質在缺氧的條件下轉變為小分子可燃氣體。所用氣化劑不同，得到的氣體燃料也不同。
目前應用最廣的是用空氣作為氣化劑，產生的氣體主要作為燃料，用於鍋爐、民用爐灶、發電等場合。通過生物質氣化可以得到合成氣，可進一步轉變為甲醇或提煉得到氫氣。
生物質熱解氣化技術最早出現於18世紀末期，首次商業化應用可以追溯到2023年，當時以木炭作為原料，經過氣化器生產可燃氣，驅動內燃機。第二次世界大戰期間，生物質氣化技術達到頂峰。20世紀70年代世界能源危機後，發達國家為減少環境汙染，提高能源利用效率，解決礦物能源短缺提供新的替代技術，又重新開始重視開發生物質氣化技術和相應的裝置。
人們發現，氣化技術非常適用於生物質原料的轉化。生物質氣化反應溫度低，可避免生物質燃料燃燒過程中發生灰的結渣、團聚等執行難題。在2023年召開的世界第15次能源大會上，確定生物質氣化利用作為優先開發的新能源技術之一。
1.2 生物質氣化過程
隨著氣化裝置型別、工藝流程、反應條件、氣化劑種類、原料性質等條件的不同，生物質氣化反應過程也不相同，但是這些過程的基本反應包括固體燃料的乾燥、熱解反應、還原反應和氧化反應四個過程。生物質原料進入氣化器後，首先被乾燥。在被加熱到100℃以上時，原料中的水分首先蒸發，產物為幹原料和水蒸氣。
溫度公升高到300℃以上時開始發生熱解反應。熱解是高分子有機物在高溫下吸熱所發生的不可逆裂解反應。大分子碳氫化合物析出生物質中的揮發物，只剩下殘餘的木炭。
熱解反應析出揮發分主要包括水蒸氣、h2、co、ch4、焦油及其他碳氫化合物。熱解的剩餘物木炭與被引入的空氣發生反應，同時釋放大量的熱以支援生物質乾燥、熱解及後續的還原反應進行，氧化反應速率較快，溫度可達1000～1200℃，其他揮發分參與反應後進一步降解。沒有氧氣存在，氧化層中的燃燒產物及水蒸氣與還原層中木炭發生還原反應，生成氫氣和一氧化碳等。
這些氣體和揮發分組成了可燃氣體，完成了固體生物質向氣體燃料的轉化過程。還原反應是吸熱反應，溫度將會降低到700～900℃。
各過程涉及的主要化學反應如下：
c+o2→co2
2c+co2→2co
c+h2o→co+h2
co+h2o→co2+h2
c+2h2→ch4
1.3 生物質氣化的分類
生物質氣化技術的分類有很多，可以從不同的角度對其進行分類。根據燃氣生產機理可分為熱解氣化和反應性氣化。根據氣化劑的不同，可分為乾餾氣化、空氣氣化、水蒸氣氣化、氧氣氣化、氫氣氣化（如圖1所示）；根據採用的氣化反應裝置的不同又可分為固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化。
在氣化過程中使用不同的氣化劑、採取不同過程執行條件；可以得到三種不同熱值的氣化產品氣（燃氣）：低熱值燃氣，燃氣熱值低於8.3mj/m3（使用空氣和蒸汽/空氣）；中等熱值燃氣，燃氣熱值在16.
7～33.4mj/m3（使用氧氣和蒸汽）；高熱值燃氣，燃氣熱值高於33.4mj/m3（使用氫氣）。
圖1 生物質氣化技術的分類
2 生物質氣化裝置
生物質氣化反應發生在氣化爐中，氣化爐是氣化反應的主要裝置。生物質在氣化爐中完成了氣化反應過程並轉化為生物質燃氣。目前，國內外正研究和開發的生物質氣化裝置按原理分主要有固定床氣化爐、流化床氣化爐和攜帶床氣化爐；按加熱方式分為直接加熱和間接加熱兩類；按氣流方向分為上吸式、下吸式和橫吸式三種（見圖2）。
圖2 生物質氣化爐的分類
2.1 固定床上吸式氣化爐
固定床上吸式氣化爐的工作過程是：生物質原料從頂部加入，然後依靠重力逐漸由頂部移動到底部，空氣從底部進入，向上經過各反應層，燃氣從上部排出，灰渣從底部排出，由於原料移動方向與氣體流動方向相反，所以也叫逆流式氣化。固定床上吸式氣化的主要優點如下：
（1）氣化效率較高，主要是因為熱解層和乾燥層充分利用了還原反應後的氣體餘熱；（2）燃氣熱值較高，主要是因為氣化氣直接混入了具有較高熱值的揮發分；（3）爐排受到進風的冷卻，不易損壞。固定床上吸式氣化的最大缺點是由於氣化生成氣直接混入了揮發分中的焦油而使氣體中的焦油含量較高，以木材為原料進行氣化，氣體中的焦油含量一般會高達20g/m3以上，這對於氣體的使用是乙個很大的問題，因為焦油冷凝後會沉積在管道、閥門、儀表和灶具上，嚴重時可破壞系統的正常執行。自生物質氣化技術問世以來，如何清除焦油一直沒有得到很好的解決。
固定床上吸式氣化爐一般應用在粗燃氣不需冷卻和淨化就可以直接使用的場合，如直接作為鍋爐等熱力裝置的燃料氣等，在必須使用清潔燃氣的場合，就只能用硬木或木炭作為氣化原料 .
2.2 固定床下吸式氣化爐
生物質原料從頂部加入，然後依靠重力逐漸由頂部移動到底部，空氣從上部進入，向下經過各反應層，燃氣由反應層下部吸出，灰渣從底部排出。由於原料移動方向與氣體流動方向相同，所以也叫順流式氣化。固定床下吸式氣化的最大優點是氣化氣體中的焦油含量比固定床上吸式低許多，因為揮發分中的焦油在氧化層和還原層得到了一定程度的氧化和裂解，因此，這種氣化技術比較適宜應用於需要使用潔淨燃氣的場合。
固定床下吸式氣化的最大缺點是爐排處於高溫區，容易粘連熔融的灰渣，壽命難以保證。保證固定床下吸式氣化爐的穩定執行 ，對於木炭和木材等優質原料並不太難，但對於秸秤和草類等物理性質較差的低品質原料就難了許多，因為秸秤等物料在揮發分大量析出後，其體積會迅速縮小，從而使得秸秤半焦依靠自身重力向下移動的能力變得很差，因此，熱解層和氧化層極易發生區域性穿透。為了及時填充穿透空間並阻止氣流短路，合理設計加料機構和爐腔形狀 ，輔以合理的撥火方式都是必須的。
2.3 單流化床氣化爐
單流化床氣化爐只有乙個流化床反應器，反應器一般可分為上下兩段，下部為氣固密相段，上部為氣固稀相段。氣化劑從底部經氣體分布板進入流化床反應器，生物質原料從分布板上方進入流化床反應器。生物質原料與氣化劑一邊向上作混合運動，一邊發生乾燥、熱解、氧化和還原等反應，這些反應主要發生在密相段，反應溫度一般控制在800℃左右。
稀相段的作用主要是降低氣體流速，使沒有轉化完全的生物質焦炭不致被失流迅速帶出反應器而繼續留在稀相段發生氣化反應。與固定床氣化相比，流化床氣化的主要優點如下：（1）由於生物質物料粒度較細和劇烈的氣固混合流動床層內傳熱傳質效果較好，因而氣化效率和氣化強度都比較高，尤其是氣化強度要比固定床氣化高2～3倍；（2）由於流態化的操作範圍較寬，故流化床氣化能力可在較大範圍內進行調節，而氣化效果和氣化效率不會明顯降低；（3）由於床層溫度不是很高且比較均勻，因而灰分熔融結渣的可能性大大減弱。
與固定床氣化相比，流化床氣化的主要缺點如下：（1）由於氣體出口溫度較高，故產出氣體的顯熱損失較大；（2）由於流化速度較高、物料顆粒又細，故產出氣體中的固體帶出物較多；（3）流化床要求床內物料、壓降和溫度等分布均勻 ，因而啟動控制較為複雜；（4）對於鼓泡床氣化，最好在床層內新增一些熱容量比較大的惰性熱載體，否則氣化效率和氣化強度都難以令人滿意。
2.4 迴圈流化床氣化爐
迴圈流化床氣化爐與單流化床氣化爐的主要區別是生成氣中的固體顆粒在經過了旋風分離器或濾袋分離器後，通過料腳再返回到流化床，繼續進行氣化反應。與單流化床氣化相比，迴圈流化床氣化的主要優點如下：（1）由於操作氣速可以明顯提高而不必擔心碳的轉化率，故氣化效率尤其是氣化強度可以得到進一步提高；（2）可以適用更小的物料粒徑，在大部分情況下叮以不加流化熱載體，執行較為簡單。
其缺點主要是因流系統控制較難，料腳容易發生下料困難，且在炭回流較少的情況下容易變成低速攜帶床。
2.5 雙流化床氣化爐
雙流化床氣化爐分為兩個組成部分，即第一級流化床反應器和第二級流化床反應器。在第一級流化床反應器中，生物質物料發生熱解反應，生成氣攜帶著炭顆粒和床層物料如沙子等進入分離裝置，分離後的炭顆粒和床層物料經料腳進入第二級流化床反應器；在第二級流化床反應器中，炭顆粒進行氧化反應，使床層溫度公升高，高溫煙氣攜帶著床層物料進入分離裝置，分離後的床層物料經料腳又重新進入第一級流化床反應器，從而為生物質熱解提供所需的熱源。由於燃燒和氣化在雙流化床氣化系統中是在兩個反應器中分開進行的，熱解產生的可燃氣體不會被燃燒產生的煙氣稀釋，因此，雙流化床氣化所產生的可燃氣體熱值與城市煤氣相當，屬於中熱值氣體，既可用作燃氣，也可用作化工合成氣的原料。
3 影響生物質氣化的主要因素
在生物質氣化過程中，當氣化爐型別確定後，在確定的氣化劑條件下，控制條件諸如空氣當量比、生物質與氣化劑的比率、原料粒徑、溫度、壓力、氣化介質、催化劑和新增劑等對碳的轉化率、燃氣成分焦油產量等都有重要的影響。相關學者對各個因素對氣化的影響做了研究，得出了大量研究結論。
3.1 氣化劑的影響
生物質氣化時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、水蒸氣-二氧化碳等，氣化劑不同，氣化爐出口產生的氣體組分也不同。在工業規模中，氣化劑一般是用空氣，當量比為0.2～0.
3，出口氣體包括50%（體積分數）的n2、8%～12%（體積分數）的h2以及少量的co、ch4、c2、c3、co2、h2o和焦油。這個組成只適用於發電和供熱。水蒸氣氣化的出口氣組成和空氣氣化很不同，出口氣不再包括氮氣，氫氣的含量高達50%～55%（體積分數），同時還將得到大量的ch4、c2 、c3和焦油與h2、co和co2。
另外，水蒸氣的二次催化重整，輕的碳氫化合物和大多數的焦油能被轉化成h2和co、h2的量增加至70%～75%（體積分數），如果出口氣中富含氫氣，它可以被用作燃料電池，如果h2和co的比例近似為2：1，可用作f-t的合成，如果氣體富含甲烷，可以被用作熱值燃料。
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