一、生物質(zhì)氣化技術(shù)的歷史沿革

生物質(zhì)氣化是指生物質(zhì)在高溫、無氧或缺氧條件下，發(fā)生熱分解，產(chǎn)生可燃氣體的過程。農(nóng)林生物質(zhì)包括各種秸稈、稻殼、果殼、果樹枝條及林業(yè)三剩物等，具有來源廣、數(shù)量多、可再生、零排放及環(huán)境友好等優(yōu)點，是一種十分寶貴的可持續(xù)獲得的綠色資源。

生物質(zhì)氣化技術(shù)早在上上個世紀1883年就問世于歐洲，上世紀的40、50年代，中國的汽車也曾利用過這項技術(shù)，將木炭在缺氧條件下高溫氣化產(chǎn)生可燃氣，代替柴油、汽油作為汽車的燃料。應該說，氣化技術(shù)是一項古老的傳統(tǒng)技術(shù)。但是，在便捷、廉價的油、氣年代里，由于氣化技術(shù)中的某些缺陷，這項技術(shù)被人們忘卻和冷落了一個多世紀，未被很好的加以利用。

綜合研究與觀察發(fā)現(xiàn)，影響生物質(zhì)氣化技術(shù)開發(fā)利用的主要原因是：

（1）氣化技術(shù)產(chǎn)生的產(chǎn)品單一，僅產(chǎn)生可燃氣，經(jīng)濟效益不顯著；

（2）氣化過程中，特別在低溫氣化環(huán)境下，可燃氣中的焦油含量高，容易污染發(fā)電機的噴嘴和燃氣用具，影響設(shè)備的正常工作；

（3）凈化可燃氣過程中，產(chǎn)生的生物質(zhì)提取液（也稱木醋液）未能開發(fā)工業(yè)化用途，直接排放會造成環(huán)境污染；

（4）產(chǎn)生生物質(zhì)氣化的固定床和流化床設(shè)備產(chǎn)氣量不大，僅能驅(qū)動200-300kw的發(fā)電設(shè)備，工業(yè)化應用前景不廣。流化床氣化設(shè)備對生物質(zhì)原料的形狀、大小有一定的要求，因而增加了原料的加工費用。

針對上述4個關(guān)鍵性的技術(shù)難題，近十年來在廣泛調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，開展了創(chuàng)新性的研究工作：

（1）提出了生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的學術(shù)思想，并從原理和技術(shù)上成功實現(xiàn)了在生物質(zhì)氣化過程中，同時制取生物質(zhì)可燃氣、生物質(zhì)炭和生物質(zhì)提取液；開展了生物質(zhì)炭，生物質(zhì)提取液的基本性質(zhì)及應用途徑的研究，在山東、江蘇、寧夏、江西等省開展了以生物質(zhì)提取液為基質(zhì)的活性有機葉面肥在大田作物、水果、蔬菜等作物上的應用試驗和秸稈炭回田對提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的應用試驗，都取得了可喜的效果，為提高綜合經(jīng)濟效益提供了技術(shù)支持。

（2）科學的分析和驗證了產(chǎn)生焦油的機理，設(shè)計和制造二次進氣的固定床高溫氣化發(fā)生爐，使生物質(zhì)在氣化過程中少產(chǎn)生或不產(chǎn)生焦油，并采取科學、高效的氣液凈化分離技術(shù)，使可燃氣滿足用氣設(shè)備的技術(shù)要求，確保設(shè)備的穩(wěn)定可靠運行；

（3）研制開發(fā)高效、大功率、自動化程度高的固定床生物質(zhì)氣化發(fā)生爐，滿足下游工業(yè)部門對氣化產(chǎn)能的需求。目前，氣化發(fā)電的功率可達500kw/h，今后可提升至1000kw/h；

（4）創(chuàng)新研究思路，改變不同氣化條件，調(diào)控可燃氣的成分和數(shù)量。

生物質(zhì)氣化技術(shù)雖然是一項傳統(tǒng)的技術(shù)，只要我們在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，深入研究它的發(fā)生和調(diào)控規(guī)律，克服它固有的某些缺陷，并賦予它更多的新的活力。對生物質(zhì)氣化技術(shù)的認識和應用，將會由“必然王國”走向“自由王國”，在我國和世界的生物質(zhì)資源化利用領(lǐng)域中，發(fā)揮它應有的貢獻。

因此，生物質(zhì)氣化技術(shù)應當引起大家的重視，重新來認識它，并投入更多的精力，開展創(chuàng)新型的研究。

二、生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的基本原理

1、基本原理

生物質(zhì)氣化過程中，主要分為原料干燥區(qū)、熱解區(qū)、氧化區(qū)和還原區(qū)等四個階段，在整個反應過程中，炭是充分滿足的，氧氣是限量供應的。因此，在氧化區(qū)和還原區(qū)發(fā)生了一系列的化學反應，其中還原區(qū)的反應過程是決定可燃氣中的一氧化碳、氫氣、甲烷的數(shù)量。如果適當?shù)母淖兎磻獥l件，可大幅度的增加可燃氣成分的結(jié)構(gòu)和數(shù)量。

2、關(guān)鍵設(shè)備

生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)設(shè)備主要由兩大部分組成：

（1）生物質(zhì)氣化發(fā)生爐。

技術(shù)要求：①結(jié)構(gòu)科學、運行可靠、使用壽命長；②熱效率高、產(chǎn)氣量大、焦油含量低；③自動化程度高，盡量減少人工操作；④出炭、出氣順暢，爐內(nèi)不架橋；⑤安全性好，防止系統(tǒng)的漏氣，引起燃燒或爆炸。

（2）氣液分離系統(tǒng)。

技術(shù)要求：①結(jié)構(gòu)科學、易于加工；②可燃氣中焦油含量低；③可燃氣中的水分、溫度符合發(fā)電要求。

三、生物質(zhì)可燃氣和生物質(zhì)炭

1、生物質(zhì)可燃氣

可燃氣的成分主要有甲烷、一氧化碳、氫氣，輸入燃氣輪機可直接發(fā)電，也可直接向用戶供氣。

2、生物質(zhì)炭

（1）生物質(zhì)炭的性質(zhì)

根據(jù)生物質(zhì)原料來源不同，可分為木炭、稻殼炭、秸稈炭等。

（2）生物質(zhì)炭的應用

木炭在工業(yè)和民用中已有廣泛的用途，是一種重要的工業(yè)和生活原料。秸稈炭中的稻草炭經(jīng)測定，含鉀3.1%、磷3.9%，鎂2.9%、鈣1.3%，比表面積158m²/g。稻草炭和氮、磷、鉀或家禽、家畜的糞便可制成各種優(yōu)質(zhì)的復合肥或有機肥，還田后對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)有如下效果：

①可增加土壤孔隙度，降低土壤容重、改善土壤通氣、透水狀況，提高土壤最大持水量，緩解了土壤板結(jié)的難題。土壤中增加4%的稻草炭，土壤的容重從1.39g/cm²減少至1.20g/cm³，土壤最大持水量從37.71%增加至41.17%。

②可將土壤中緊缺的氮、磷、鉀、鎂等大量元素返回到土壤中，而且還可以補充植物所必須的銅、鐵、鋅等微量元素，有利于提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

③可抑制土壤對磷的吸附，有利于磷的解吸，從而改善植物對磷的吸收利用。研究表明，當土壤加磷量為100mg/kg時，土壤中增加4%的稻草炭，磷的吸附率為22.37%，而未加稻草炭的土壤則高達52.43%；而相應土壤磷的解吸率由0.85%提高到22.81%。

④具有修復土壤重金屬污染的作用，對污染土壤中的鎘（Cd）具有顯著的吸附作用。在三級鎘污染的土壤（100mg/kg為三級、0.6mg/kg為二級、0.3mg/kg為一級）中進行種植小白菜試驗，結(jié)果表明，加入4%稻草炭后，小白菜葉中鎘的含量減少49.43%，小白菜根中鎘的含量減少73.51%。

四、生物質(zhì)提取液

1、提取液的基本性質(zhì)

以稻殼為原料生產(chǎn)的生物質(zhì)提取液的基本性質(zhì)如下表3所示。

生物質(zhì)材料氣化過程中產(chǎn)生的氣體，經(jīng)分離、冷凝后得到生物質(zhì)提取液，經(jīng)分析測定，主要含有酸類、醇類、酯類、醛類、酮類、酚類等多種化學成分。

稻殼提取液含有18種物質(zhì)，主要含有21.17%醇類、3.75%酚類和3.65%酯類，另有40.08%酸類、酯類、醛類、酮類等其它物質(zhì)。

稻草提取液主要含有1.89%醇類、7.49%酚類、3.21%酯類、8.23%酮類、0.68%酸類、0.95%醛類物質(zhì)，還含有4.44%的其它物質(zhì)。

由于這些有機化合物本身具有生物活性，具有促進作物生長和抑菌、殺菌性能，各種物質(zhì)之間相互協(xié)同作用，使生物質(zhì)活性提取液具有良好的促進作物生長和抑菌、殺菌性能。

2、提取液的抗菌性能

以稻殼活性提取液為原料，以白色念珠菌、黑曲霉菌、大腸桿菌及金黃色葡萄球菌為供試菌種，按抑菌試驗方法進行抑菌試驗，結(jié)果如表4所示。

稻殼活性提取液對白色念珠菌、大腸桿菌有很強的抑菌效果，抑菌率都在90%以上，對金黃色葡萄球菌、黑曲霉菌有一定的抑菌作用。

3、提取液毒理性、重金屬及細菌數(shù)試驗

經(jīng)江蘇省疾病預防控制中心對稻殼提取液進行的毒理性試驗結(jié)果表明：該樣品雌雄小白鼠經(jīng)口毒性試驗驗證屬于無毒級。

經(jīng)國家輕工業(yè)香料化妝品洗滌用品質(zhì)量監(jiān)督檢測南京站對稻殼活性提取液中重金屬及細菌數(shù)試驗結(jié)果表明：該樣品的重金屬及細菌數(shù)均符合QB/T2660-2004《化妝水》標準要求。

4、提取液作基質(zhì)的葉面肥

以稻殼提取液作為基質(zhì)，增加農(nóng)作物生長緊缺的大量元素、中量元素和微量元素，稀釋至300-500倍作為有機葉面肥。

研究表明：稻殼提取液作為葉面肥或液體肥使用能有效提高西紅柿、蘋果、李子、蘿卜、花生、油麥菜、水稻和辣椒等瓜果、蔬菜等作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，提升瓜果的口感。各地的大田試驗結(jié)果表明，杏子、李子、蘋果、桔子等鮮果類在果樹疏果后，每隔7-10天噴灑一次葉面肥，連續(xù)噴灑三次，收獲時的產(chǎn)量可增加10-15%，維生素和糖分含量可增加3-5%，果形和口味明顯改善；各種葉菜、馬鈴薯和花生等塊莖作物，可增加產(chǎn)量15-25%。另外，大量的測試分析表明，不同原料的生物質(zhì)提取液由于原料成分的差別，提取液的成分也有某些差別，但基本成分和類別沒有太大的變化。

5、提取液在防止病蟲害上的應用

三年來江蘇句容戴莊有機農(nóng)業(yè)社6000多畝有機水稻，育秧全部采用（稀釋30倍）稻殼提取液浸種，秧田基本未見惡苗病、苗稻瘟及干尖線蟲病發(fā)生，秧苗長勢好。大田也沒有發(fā)生過惡苗病、稻瘟及干尖線蟲病危害。

有機草莓栽培試驗田已連續(xù)三年用稻草提取液（100-300倍）防治草莓蚜蟲及灰霉病，病害基本得到控制，對棚內(nèi)放蜂授粉沒有影響，可生長出優(yōu)質(zhì)有機草莓。

在連棟溫室中，用盆栽黃瓜進行土壤線蟲試驗，使用400倍生物質(zhì)提取液澆灌，能顯著降低盆栽黃瓜根結(jié)線蟲的發(fā)生率，發(fā)病株的病情指數(shù)也顯著下降。

五、生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)前景展望

1.正常運行條件下，每噸木片可發(fā)電900kw/h，產(chǎn)出木炭0.20噸，提取液0.20噸；若以稻殼和秸稈為原料，每噸稻殼可發(fā)電700-800kw/h，產(chǎn)出稻殼炭0.30噸，稻殼提取液0.15噸；整個加工過程不需要外加熱量。

2.產(chǎn)生的氣體產(chǎn)品可燃氣用于發(fā)電或鍋爐燃料，已經(jīng)得到很好的利用；生物質(zhì)炭根據(jù)其原料的不同，也已在工業(yè)和農(nóng)業(yè)上得到應用，以木材為原料的木炭，其固定炭和灰分含量均符合制造活性炭的要求，因此是制造活性炭的重要原料；大量試驗證明，生物質(zhì)提取液和各種秸稈炭是制造各種優(yōu)質(zhì)專用炭復合肥的主要原料，應用前景十分廣泛。

3.將氣化爐與發(fā)電裝置的功率提高至1000kw，并將生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)綜合集成建設(shè)5-10兆瓦的生物質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)電廠，作為一種生物質(zhì)電廠的模式，具有良好應用前景。

作者簡介：

張齊生，中國工程院院士，南京林業(yè)大學教授、博士生導師。20世紀80年代開始從事竹/木材工業(yè)化加工利用的科研工作，培養(yǎng)碩士、博240余名，發(fā)表學術(shù)論文百余篇，專（譯）著8冊，獲發(fā)明專利12項；近10余年來主要從事生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的研究，主持國家和部省級項目8項，獲發(fā)明專利6項。科研成果獲國家發(fā)明二等獎、三等獎各1項、國家科技進步一等獎1項、二等獎4項、部省科技進步一等獎2項、二等獎1項、三等獎4項；榮獲國家級有突出貢獻的優(yōu)秀中青年科技專家、全國科技推廣先進工作者、全國優(yōu)秀林業(yè)科技工作者、江蘇省勞動模范、江蘇省優(yōu)秀共產(chǎn)黨員等榮譽稱號，享受政府特殊津貼。