李 威

（山東洪業(yè)化工集團(tuán),山東 東明 274500）

1 生物質(zhì)能資源利用

生物質(zhì)是指生物體通過光合作用生成的有機(jī)物，包括所有的動物、植物、微生物以及這些生命體排泄和代謝所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)[1]。

生物質(zhì)能是人類利用最早的能源之一，分布極廣，產(chǎn)量巨大，具有可再生和成本低等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)估計，每年由植物光合作用固定下來的碳約2×1011t，蘊(yùn)含約3×1021J能量，當(dāng)于每年世界耗能總量的10倍，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

生物質(zhì)能是人類一直賴以生存的重要能源之一，在遠(yuǎn)古時代人們就以生物質(zhì)能為能量來源加以利用[2]。生物質(zhì)能在全球能源消費(fèi)中仍占有重要份額（15%），僅次于煤、石油和天然氣，居于世界能源消費(fèi)總量的第4位。

2 國內(nèi)生物質(zhì)能發(fā)展現(xiàn)狀

我國是一個人口眾多的農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)能十分豐富，在我國的能源結(jié)構(gòu)中占有相當(dāng)重要的地位。我國每年農(nóng)村的秸稈量約7億噸，相當(dāng)于5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。另外，我國的林業(yè)廢棄物每年約3700萬立方米，相當(dāng)于2000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。若加上畜禽糞便、城市垃圾和工業(yè)廢水等，我國每年的生物質(zhì)資源量可達(dá)6億噸以上標(biāo)準(zhǔn)煤。

目前，中國生物質(zhì)能的五大戰(zhàn)略產(chǎn)品是燃料乙醇、成型燃料、工業(yè)沼氣、生物塑料和生物柴油。

3 生物質(zhì)氣化原理

生物質(zhì)能的開發(fā)利用十分重要，同時也有多種利用技術(shù)，如液化、堆肥、壓縮成型、氣化等。現(xiàn)在，開始介紹生物質(zhì)能利用技術(shù)中的一種—?dú)饣?/p>

生物質(zhì)氣化即有氧化劑參與的熱解過程，指生物質(zhì)中碳、氫在高溫條件下利用空氣中的氧氣或含氧物質(zhì)作為氣化劑，反應(yīng)得到小分子可燃?xì)怏w的過程。燃?xì)庵械闹饕煞钟蠧O、H2、CH4、CO2、N2等，可燃?xì)獬煞种饕荂O、H2和CH4。

3.1 氣化過程

氣化一般的基本反應(yīng)包括：干燥、熱解、還原和氧化這四個反應(yīng)?，F(xiàn)在大部分氣化反應(yīng)都是空氣氣化，反應(yīng)中氧氣與生物質(zhì)中可燃組分發(fā)生氧化反應(yīng)，放出熱量，為其他過程提供所需熱量?？偡磻?yīng)可寫為：

CH1.4O0.6代表的是生物質(zhì)分子式。由于空氣中含有79%氮?dú)?，不參與反應(yīng)并稀釋了燃?xì)庵锌扇冀M分的含量，因此燃?xì)鉄嶂递^低，僅為4—6MJ/m3。

3.2 氣化參數(shù)

規(guī)定一些參數(shù)用以較好的描述氣化反應(yīng)進(jìn)行中的狀態(tài)，可以評價生物質(zhì)氣化效果和描述物料物流和能量流向。包括：當(dāng)量比(ER)，氣體產(chǎn)率（Gv，m3/kg），氣體熱值（Qv，kJ/m3），碳轉(zhuǎn)化率（%），氣化效率（η），生產(chǎn)強(qiáng)度[kJ/(m3·h)]等。

4 氣化影響因素

4.1 氣化劑的影響

生物質(zhì)氣化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、水蒸汽—二氧化碳等。

西班牙薩拉格薩大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)部的Javier Gil，Miguel A.Caballero[4]等研究了有關(guān)氣化劑類型對合成氣組分的影響。

實(shí)驗(yàn)采用了三種，即空氣、水蒸氣、氧氣—水蒸氣三種氣化介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過改變氣化媒介和各氣化劑的量得出較佳運(yùn)行參數(shù)：

實(shí)驗(yàn)得出，蒸汽氣化熱值較高，氣化效果很好，但焦油和焦炭量很大，成本也很高，空氣氣化當(dāng)量比0.3，GR與S/B為0.9最佳。另外，實(shí)驗(yàn)生物質(zhì)為實(shí)驗(yàn)配置。

4.2 生物質(zhì)的影響

不同的生物質(zhì)類型的氣化效果不同，美國俄克拉荷馬州立大學(xué)的生物與農(nóng)林學(xué)部的Raymond Huhnke,Danielle Bellmer[4]等研究了木屑?xì)饣?，波蘭的希萊亞希大學(xué)能源中心的P.Plis[4]研究了燕麥屑?xì)饣约坝行?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了污泥氣化的研究，其氣化結(jié)果和氣化條件相差較大。

盡管元素元素分析結(jié)果相似，但合成氣中的CO變化相差很大。一般情況，像木屑、秸稈一類的生物質(zhì)含灰量小于10%，含水率約8%左右，而污泥氣一般含灰量（干燥后）在40%以上，有些污泥含水率也在40%左右。污泥氣化產(chǎn)物相對于木屑、秸稈等相差很大，不同生物質(zhì)類型在元素分析相似時產(chǎn)氣率相差也有可能很大。所以，不同的生物質(zhì)類型對氣化效果影響很大。

4.3 空氣當(dāng)量比

空氣當(dāng)量比是氣化過程中十分重要的一個參數(shù)，由于ER值過大會使生物質(zhì)燃燒量增大，有利于氣化反應(yīng)，但N2等含量也會增大，從而降低合成氣熱值。

漢堡—哈兒堡工業(yè)大學(xué)的Petersen[4等人研究了污水污泥在不同空氣進(jìn)量的兩種高度的流化床反應(yīng)器的氣化效果，并給出詳細(xì)的數(shù)據(jù)。因此可以確定某種類型的生物質(zhì)的最佳ER值。

最后得出結(jié)論是增加床高有利于氣化過程，氣體停留時間的長短對氣化氣最后組成的影響十分大。

4.4 含水率

生物質(zhì)的含水率對氣化結(jié)果影響也很大，希萊亞希科技大學(xué)的P.Plis[4]研究了固定床中生物質(zhì)氣化的實(shí)驗(yàn)過程，并通過數(shù)值計算得出木屑在當(dāng)量比0.4的條件下隨含水率變化合成氣組分、熱值變化的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著含水率的增加，氫氣量增大，CO含量降低，合成氣的熱值也會降低。所以，生物質(zhì)中含水率是氣化的不利因素，一部分熱量會以水蒸汽顯熱的方式丟失。

[1]程備久主編.生物質(zhì)能學(xué)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2008:1-10.

[2]劉光青,董仁杰,李秀金.生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2009:7-12.

[3]史濟(jì)春,曹湘洪.生物燃料和可持續(xù)發(fā)展[M].中國石化出版社,2007:4-13.

[4]Plis*,R.K.Wilk.Theoretical and experimental investigation of biomass gasification process in a fixed bed gasifier[J].Energy (2010)1-8:2-4.