鐘浩，謝建，楊宗濤，張無敵，宋洪川

(云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南昆明650092)

摘要：文章討論了生物質(zhì)能源概況及生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)目前的現(xiàn)狀，認(rèn)為大力發(fā)展生物質(zhì)氣化技術(shù)有著廣闊的前景。

隨著新世紀(jì)的到來，人類面臨著經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，改變能源的生產(chǎn)和消費(fèi)方式，用現(xiàn)代技術(shù)開發(fā)利用包括生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源，對建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善以及擺脫對化石能源的依賴都具有重大意義。

1生物質(zhì)能資源

生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源之一，包括能源林木、能源作物、水生植物、各種有機(jī)廢棄物等等，它們是通過植物的光合作用轉(zhuǎn)化而成的可再生能源資源，是太陽能的有機(jī)儲存。生物質(zhì)能是地球上最普遍的一種可再生能源，數(shù)量巨大，就其能量當(dāng)量而言，是僅次于煤、石油、天然氣而列第四位的能源。廣義的生物質(zhì)能包括一切以生物質(zhì)為載體的能量，具有可再生性。據(jù)估算，地球每年水、陸生物質(zhì)產(chǎn)量的熱當(dāng)量為3×1021J左右，是全球目前總能耗量的10倍。我國生物質(zhì)能資源相當(dāng)豐富，僅各類農(nóng)業(yè)廢棄物(如秸稈等)的資源量每年即有3.08億噸標(biāo)煤，薪材資源量為1.3億噸標(biāo)煤，加上糞便、城市垃圾等，資源總量估計(jì)可達(dá)6.5億噸標(biāo)煤以上，約相當(dāng)于1995年全國能耗總量的一半。

目前，在世界的能源結(jié)構(gòu)中，生物質(zhì)能源占據(jù)重要的地位。在世界能源消耗中，生物質(zhì)能占據(jù)14%，發(fā)展中國家占40%以上，據(jù)聯(lián)合國調(diào)查資料，東南亞各國42%的能源消耗來自生物質(zhì)，非洲國家占58%。占我國人口70%的農(nóng)村，主要的生活能源也是生物質(zhì)能。我國農(nóng)村直接燃燒秸桿、薪柴每年總能耗為2.64億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占農(nóng)村能耗的79.3%，每年消耗生物質(zhì)能達(dá)6.1億噸之多，占全國總能耗的27%。

而在發(fā)達(dá)國家，生物質(zhì)作為能源的利用，多采用高投入、高產(chǎn)出的方式，建設(shè)大型的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化工程，將傳統(tǒng)的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代能源利用。例如，美國在1992年就大約有1000個利用木材氣化的發(fā)電廠，運(yùn)行裝機(jī)650萬千瓦，年發(fā)電42億千瓦時，發(fā)電成本4-6美分每千瓦時，每千瓦投資2000-3000美元，美國加州電力供應(yīng)的40%來源于生物質(zhì)發(fā)電，目前，生物質(zhì)動力工業(yè)在美國已成為僅次于水電的第二大可再生能源。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代能源的利用在美國、瑞典和奧地利的基本能源消費(fèi)中已分別占到40%、16%和10%。在歐盟國家中，開發(fā)利用的所有新能源和可再生能源(包括水電在內(nèi))中生物質(zhì)能源已占總和的59.6%。

2傳統(tǒng)的生物質(zhì)利用模式造成的弊病及對策

我國農(nóng)村地區(qū)，傳統(tǒng)的耗能方式仍是以炊事為基本要求，作物秸稈和柴草為主要資源，大部分是炕灶直接燃燒，轉(zhuǎn)換效率低，能量損失嚴(yán)重。另一方面，由于農(nóng)村能源消費(fèi)中約80%來自生物質(zhì)能，對生物質(zhì)資源的無序使用和浪費(fèi)不但直接導(dǎo)致大氣污染，還嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。在我國，過去十分肥沃的東北大平原土壤有機(jī)含量從5-9%下降到2%；全國森林覆蓋率下降到13%，僅是世界平均水平的一半；水土流失面積也從50年代的150萬平方公里擴(kuò)展到367萬平方公里。

因此，對于生物質(zhì)能源利用技術(shù)，開發(fā)研究的核心內(nèi)容就是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料的清潔燃燒和高效利用，發(fā)展生物質(zhì)的各種能源轉(zhuǎn)換利用技術(shù)。

3生物質(zhì)能技術(shù)的類別

生物質(zhì)能的利用技術(shù)大體上分為直接燃燒技術(shù)、物化轉(zhuǎn)化技術(shù)、生化轉(zhuǎn)化技術(shù)、液化技術(shù)和固體廢棄物技術(shù)幾大類(見圖1)。

4生物質(zhì)氣化的基本理論

固體燃料的氣化就是利用空氣中的氧氣或含氧物質(zhì)作為氣化劑將固體燃料中的碳氧化成可燃?xì)怏w的過程，采用不同原料和吹入氣體(空氣、氧氣或是水蒸汽)，所產(chǎn)生的可燃?xì)獬煞忠哺鳟?。其中以空氣和水蒸汽同時作為氣化劑而得到混合煤氣的技術(shù)應(yīng)用最廣，現(xiàn)行的固定床生物質(zhì)氣化系統(tǒng)基本上采用這種氣化方式。

在氣化過程中，燃料基本上要經(jīng)過氧化、還原、干餾和干燥四個階段，其主要的反應(yīng)式為：

固體燃料氣化是氣體(氧)和固體(碳)之間的多相反應(yīng)過程，關(guān)于碳和氧之間的反應(yīng)機(jī)理，至今仍是一個有爭議的問題，關(guān)于氣化反應(yīng)機(jī)理，主要有三種學(xué)說：

(1)還原說，認(rèn)為碳和氧的反應(yīng)首先生成CO2，而CO的存在是由于CO2被燃料中的碳還原的結(jié)果。

(2)一氧化碳說，認(rèn)為CO是碳和氧反應(yīng)的初生物，CO進(jìn)一步氧化生成CO2。

(3)絡(luò)合物說，認(rèn)為碳和氧首先生成CXOY絡(luò)合物，由于溫度等條件不同，這個絡(luò)合物分解成不同比例的CO2和CO，所以CO2和CO是同時形成的。

5生物質(zhì)氣化技術(shù)概況

熱解氣化是一種熱化學(xué)反應(yīng)技術(shù)，它通過氣化裝置的熱化學(xué)反應(yīng)，可將低品位的固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成高品位的可燃?xì)?。?839年世界上第一臺上吸式氣爐問世以來，氣化技術(shù)已有160多年的歷史，但較大規(guī)模應(yīng)用生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)，則始于20世紀(jì)30、40年代，第二次世界大戰(zhàn)期間，為解決石油燃料的短缺，用于內(nèi)燃機(jī)的小型氣化裝置得到廣泛使用。從七十年代初開始，受石油危機(jī)影響，這一技術(shù)有了新的發(fā)展。在本世紀(jì)四十年代初期，我國部分地區(qū)曾以木炭和木塊為燃料經(jīng)氣化驅(qū)動民用車輛，五十到六十年代初期，我國部分城鄉(xiāng)曾以木質(zhì)燃料氣化驅(qū)動內(nèi)燃機(jī)，取代柴油和汽油，用于驅(qū)動汽車和提水發(fā)電設(shè)備。現(xiàn)在，它作為礦物能源的補(bǔ)充能源更加受到各國重視。

國外生物質(zhì)氣化裝置一般規(guī)模較大，自動化程度高，工藝較復(fù)雜，以發(fā)電和供熱為主，如，加拿大摩爾公司(Moore Canada Ltd)設(shè)計(jì)和發(fā)展的固定床濕式上行式氣化裝置、加拿大通用燃料氣化裝置有限公司(Omnifuel Gasification System Limitred)設(shè)計(jì)制造的流化床氣化裝置、美國標(biāo)準(zhǔn)固體燃料公司(Standard Solid FuelsInc)設(shè)計(jì)制造的炭化氣化木煤氣發(fā)生系統(tǒng)、德國茵貝爾特能源公司(Imbert Energietechnik GMBH)設(shè)計(jì)制造的下行式氣化爐-內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)等等，氣化效率可達(dá)60%-90%，可燃?xì)鉄嶂禐?.7-2.5×104kJ/m3。目前，在該領(lǐng)域具有領(lǐng)先水平的國家有瑞典、美國、意大利、德國等。美國近年來在生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)方面有所突破，研制出了生物質(zhì)綜合氣化裝置-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)成套設(shè)備，為大規(guī)模發(fā)電提供了樣板。

從80年代初開始，經(jīng)過近20年的努力，我國生物質(zhì)氣化技術(shù)也日趨完善。我國自行研制的集中供氣和戶用氣化爐產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)用化試驗(yàn)及示范階段，形成了多個系列的爐型，可滿足多種物料的氣化要求，在生產(chǎn)、生活用能、發(fā)電、干燥、供暖等領(lǐng)域得到利用。如中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的ND系列生物質(zhì)氣化爐，其中ND-600型氣化爐已進(jìn)行較長時間的生產(chǎn)運(yùn)行，并取得了一定的效益；江蘇吳江縣生產(chǎn)的稻殼氣化爐，利用碾米廠的下腳料驅(qū)動發(fā)電機(jī)組，功率達(dá)到160千瓦，已達(dá)到實(shí)用階段；中科院廣

州能源所，對上吸式生物質(zhì)氣化爐的氣化原理、物料反應(yīng)性能作了大量試驗(yàn)，并研制出GSQ型氣化爐；山東能源研究所研制的XFL系列秸桿氣化爐在農(nóng)村集中供氣的應(yīng)用中也獲得了一定的社會、經(jīng)濟(jì)效益；大連市環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院用研制的LZ系列生物質(zhì)干餾熱解氣化裝置建成了可供1000戶農(nóng)民生活用燃?xì)獾纳镔|(zhì)熱解加工廠；云南省研制的QL-50、60型戶用生物質(zhì)氣化爐已通過技術(shù)鑒定并在農(nóng)村進(jìn)行試驗(yàn)示范。目前，我國已進(jìn)入實(shí)用階段的生物質(zhì)氣化裝置種類較多，用途廣泛(見表一)。取得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。近年來，已將煤氣化技術(shù)引入到生物質(zhì)氣化方面來，如沸騰流化床技術(shù)可用在細(xì)粒狀的生物質(zhì)氣化，克服了此類原料在固定床連續(xù)加料的困難，同時生物質(zhì)流化床技術(shù)也被很多研究單位和高校重視，有關(guān)該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究也在進(jìn)行中。

6我國現(xiàn)有的生物質(zhì)氣化技術(shù)

目前，我國使用的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)，主要有固定床、流化床和直接干餾熱解三種工藝形式。固定床工藝一般采用空氣為氣化劑，這類工藝，不論是上吸式、下吸式或是平吸式的氣流方式，都有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、可以實(shí)現(xiàn)多種生物質(zhì)原料的熱解氣化、投資少等特點(diǎn)。但是得到的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档?，一般只?000KJ/Nm3，且生物質(zhì)氣中焦油含量高(見表二)，容易造成管路堵塞。分析其原因，主要有兩方面：第一，由于工藝路線局限，多采用空氣為氣化劑，得到的生物質(zhì)氣中氮?dú)夂扛?，通常?0%左右；第二，由于生物質(zhì)原料有些不利于氣化因素，如生物質(zhì)原料揮發(fā)分含量高、固定碳含量相對較低，使得獲得的生物質(zhì)氣體中焦油含量高。而且，生物質(zhì)原料容重小等等。

針對這些不足，云南師范大學(xué)農(nóng)村能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了一種以蒸汽為氣化劑的生物質(zhì)熱解和完全氣化技術(shù)，該技術(shù)可大幅度提高生物質(zhì)氣的熱值，實(shí)驗(yàn)熱值達(dá)到了8300KJ/Nm3以上，產(chǎn)氣率達(dá)到了1.20m3/kg以上，并且還有提高的潛力。

流化床工藝得到的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂蹈?，可達(dá)12000KJ/Nm3左右，燃?xì)猱a(chǎn)率和氣化效率也分別達(dá)到了0.95和63%左右。但是這一工藝設(shè)備復(fù)雜，操作不易掌握。

1998年，大連環(huán)境科學(xué)研究院開發(fā)的LZ系列生物質(zhì)直接熱裂解裝置，可以得到熱值14651KJ/m3的裂解燃?xì)?，產(chǎn)氣率0.35m3/kg，這種裝置的主產(chǎn)物是碳，熱解生物質(zhì)燃?xì)庾鳛楦碑a(chǎn)物，燃?xì)獾某杀疽蕾囉谔嫉匿N售情況而定。

7結(jié)束語

綜上所述，生物質(zhì)氣化技術(shù)日趨成熟，生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，主要熱點(diǎn)是氣化烘干、氣化發(fā)電、家用燃?xì)饧泄夂蛻粲脷饣癄t灶等四個方面。

我國生物質(zhì)資源豐富，生物質(zhì)氣化技術(shù)對充分利用這些資源、緩解能源緊張、提高能源品位、改善環(huán)境質(zhì)量、提高人民生活水平等諸多方面具有重要意義，故大力開發(fā)生物質(zhì)氣化技術(shù)有著廣闊的前景。

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