生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的研究與應(yīng)用

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(wú)氧或缺氧條件下，發(fā)生熱分解，產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過(guò)程。農(nóng)林生物質(zhì)包括各種秸稈、稻殼、果殼、果樹(shù)枝條及林業(yè)三剩物等，具有來(lái)源廣、數(shù)量多、可再生、零排放及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)世紀(jì)1883年就問(wèn)世于歐洲，上世紀(jì)的40、50年代，中國(guó)的汽車也曾利用過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，將木炭在缺氧條件下高溫氣化產(chǎn)生可燃?xì)猓娌裼?、汽油作為汽車的燃料。?yīng)該說(shuō)，氣化技術(shù)是一項(xiàng)古老的傳統(tǒng)技術(shù)。但是，在便捷、廉價(jià)的油、氣年代里，由于氣化技術(shù)中的某些缺陷，這項(xiàng)技術(shù)被人們忘卻和冷落了一個(gè)多世紀(jì)，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(kāi)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?xì)?，?jīng)濟(jì)效益不顯著；

（2）氣化過(guò)程中，特別在低溫氣化環(huán)境下，可燃?xì)庵械慕褂秃扛?，容易污染發(fā)電機(jī)的噴嘴和燃?xì)庥镁?，影響設(shè)備的正常工作；

（3）凈化可燃?xì)膺^(guò)程中，產(chǎn)生的生物質(zhì)提取液（也稱木醋液）未能開(kāi)發(fā)工業(yè)化用途，直接排放會(huì)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(dòng)200-300kw的發(fā)電設(shè)備，工業(yè)化應(yīng)用前景不廣。流化床氣化設(shè)備對(duì)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(fèi)用。

針對(duì)上述4個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)難題，近十年來(lái)在廣泛調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)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(xué)術(shù)思想，并從原理和技術(shù)上成功實(shí)現(xiàn)了在生物質(zhì)氣化過(guò)程中，同時(shí)制取生物質(zhì)可燃?xì)狻⑸镔|(zhì)炭和生物質(zhì)提取液；開(kāi)展了生物質(zhì)炭，生物質(zhì)提取液的基本性質(zhì)及應(yīng)用途徑的研究，在山東、江蘇、寧夏、江西等省開(kāi)展了以生物質(zhì)提取液為基質(zhì)的活性有機(jī)葉面肥在大田作物、水果、蔬菜等作物上的應(yīng)用試驗(yàn)和秸稈炭回田對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的應(yīng)用試驗(yàn)，都取得了可喜的效果，為提高綜合經(jīng)濟(jì)效益提供了技術(shù)支持。

（2）科學(xué)的分析和驗(yàn)證了產(chǎn)生焦油的機(jī)理，設(shè)計(jì)和制造二次進(jìn)氣的固定床高溫氣化發(fā)生爐，使生物質(zhì)在氣化過(guò)程中少產(chǎn)生或不產(chǎn)生焦油，并采取科學(xué)、高效的氣液凈化分離技術(shù)，使可燃?xì)鉂M足用氣設(shè)備的技術(shù)要求，確保設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行；

（3）研制開(kāi)發(fā)高效、大功率、自動(dòng)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(mén)對(duì)氣化產(chǎn)能的需求。目前，氣化發(fā)電的功率可達(dá)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?xì)獾某煞趾蛿?shù)量。

生物質(zhì)氣化技術(shù)雖然是一項(xiàng)傳統(tǒng)的技術(shù)，只要我們?cè)谠屑夹g(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(duì)生物質(zhì)氣化技術(shù)的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，將會(huì)由“必然王國(guó)”走向“自由王國(guó)”，在我國(guó)和世界的生物質(zhì)資源化利用領(lǐng)域中，發(fā)揮它應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

因此，生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)當(dāng)引起大家的重視，重新來(lái)認(rèn)識(shí)它，并投入更多的精力，開(kāi)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(guò)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(gè)階段，在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，炭是充分滿足的，氧氣是限量供應(yīng)的。因此，在氧化區(qū)和還原區(qū)發(fā)生了一系列的化學(xué)反應(yīng)，其中還原區(qū)的反應(yīng)過(guò)程是決定可燃?xì)庵械囊谎趸?、氫氣、甲烷的?shù)量。如果適當(dāng)?shù)母淖兎磻?yīng)條件，可大幅度的增加可燃?xì)獬煞值慕Y(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(xué)、運(yùn)行可靠、使用壽命長(zhǎng)；②熱效率高、產(chǎn)氣量大、焦油含量低；③自動(dòng)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(xué)、易于加工；②可燃?xì)庵薪褂秃康?；③可燃?xì)庵械乃帧囟确习l(fā)電要求。

三、生物質(zhì)可燃?xì)夂蜕镔|(zhì)炭

1、生物質(zhì)可燃?xì)?/p>

可燃?xì)獾某煞种饕屑淄椤⒁谎趸?、氫氣，輸入燃?xì)廨啓C(jī)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(lái)源不同，可分為木炭、稻殼炭、秸稈炭等。

（2）生物質(zhì)炭的應(yīng)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(cè)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(fù)合肥或有機(jī)肥，還田后對(duì)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(bǔ)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(duì)磷的吸附，有利于磷的解吸，從而改善植物對(duì)磷的吸收利用。研究表明，當(dāng)土壤加磷量為100mg/kg時(shí)，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(dá)52.43%；而相應(yīng)土壤磷的解吸率由0.85%提高到22.81%。

④具有修復(fù)土壤重金屬污染的作用，對(duì)污染土壤中的鎘（Cd）具有顯著的吸附作用。在三級(jí)鎘污染的土壤（100mg/kg為三級(jí)、0.6mg/kg為二級(jí)、0.3mg/kg為一級(jí)）中進(jìn)行種植小白菜試驗(yàn)，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(guò)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(cè)定，主要含有酸類、醇類、酯類、醛類、酮類、酚類等多種化學(xué)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(jī)化合物本身具有生物活性，具有促進(jìn)作物生長(zhǎng)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(jìn)作物生長(zhǎng)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(yàn)方法進(jìn)行抑菌試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

稻殼活性提取液對(duì)白色念珠菌、大腸桿菌有很強(qiáng)的抑菌效果，抑菌率都在90%以上，對(duì)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(xì)菌數(shù)試驗(yàn)

經(jīng)江蘇省疾病預(yù)防控制中心對(duì)稻殼提取液進(jìn)行的毒理性試驗(yàn)結(jié)果表明：該樣品雌雄小白鼠經(jīng)口毒性試驗(yàn)驗(yàn)證屬于無(wú)毒級(jí)。

經(jīng)國(guó)家輕工業(yè)香料化妝品洗滌用品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)南京站對(duì)稻殼活性提取液中重金屬及細(xì)菌數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明：該樣品的重金屬及細(xì)菌數(shù)均符合QB/T2660-2004《化妝水》標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)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(jī)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(píng)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(yàn)結(jié)果表明，杏子、李子、蘋(píng)果、桔子等鮮果類在果樹(shù)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(shí)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(cè)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(méi)有太大的變化。

5、提取液在防止病蟲(chóng)害上的應(yīng)用

三年來(lái)江蘇句容戴莊有機(jī)農(nóng)業(yè)社6000多畝有機(jī)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(jiàn)惡苗病、苗稻瘟及干尖線蟲(chóng)病發(fā)生，秧苗長(zhǎng)勢(shì)好。大田也沒(méi)有發(fā)生過(guò)惡苗病、稻瘟及干尖線蟲(chóng)病危害。

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

在連棟溫室中，用盆栽黃瓜進(jìn)行土壤線蟲(chóng)試驗(yàn)，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(chóng)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(yùn)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(gè)加工過(guò)程不需要外加熱量。

2.產(chǎn)生的氣體產(chǎn)品可燃?xì)庥糜诎l(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(yīng)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(yàn)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(fù)合肥的主要原料，應(yīng)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(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：

張齊生，中國(guó)工程院院士，南京林業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。20世紀(jì)80年代開(kāi)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(xué)術(shù)論文百余篇，專（譯）著8冊(cè)，獲發(fā)明專利12項(xiàng)；近10余年來(lái)主要從事生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的研究，主持國(guó)家和部省級(jí)項(xiàng)目8項(xiàng)，獲發(fā)明專利6項(xiàng)?？蒲谐晒@國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)、國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)、部省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)4項(xiàng)；榮獲國(guó)家級(jí)有突出貢獻(xiàn)的優(yōu)秀中青年科技專家、全國(guó)科技推廣先進(jìn)工作者、全國(guó)優(yōu)秀林業(yè)科技工作者、江蘇省勞動(dòng)模范、江蘇省優(yōu)秀共產(chǎn)黨員等榮譽(yù)稱號(hào)，享受政府特殊津貼。