生物質(zhì)燃料綜合應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展

上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院能源與資源綜合利用研究所 蔡建軍 王清成

上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 王 婷

生物質(zhì)能是指把光能以化學(xué)能形式儲(chǔ)存起來(lái)的有機(jī)物質(zhì)，是一種可再生、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的清潔能源。因生物質(zhì)不僅來(lái)源廣泛，而且生物質(zhì)中硫含量和灰分含量較低，利用過(guò)程中對(duì)環(huán)境污染小，不會(huì)增加自然界碳的循環(huán)總量，對(duì)于未來(lái)的能源戰(zhàn)略具有深遠(yuǎn)意義。根據(jù)BP公司2013年統(tǒng)計(jì)年鑒可知，世界生物燃料的產(chǎn)量由2002年的11830千噸油當(dāng)量增加到2011年60286千噸油當(dāng)量。2012年生物燃料產(chǎn)量因受美國(guó)影響，較2011年下降3.5%，這是生物燃料產(chǎn)量出現(xiàn)的首次下滑。美國(guó)生物燃料的產(chǎn)量由2002年的3987千噸油當(dāng)量增加到2011年28513千噸油當(dāng)量，增加6.2%，但美國(guó)2012年生物燃料產(chǎn)量較2011年生物燃料下降4.3%，占2012年世界生物燃料總產(chǎn)量45.4%。我國(guó)生物燃料產(chǎn)量由2011年的146千噸油當(dāng)量增加到2012年1729千噸油當(dāng)量，占2012年世界生物燃料總產(chǎn)量2.9%。生物燃料產(chǎn)量2012年較2011年出現(xiàn)了首次下滑，究其原因，主要是由于生物燃料大量來(lái)源于經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物導(dǎo)致，未來(lái)生物燃料的發(fā)展將面臨原料轉(zhuǎn)型的考驗(yàn)。于此同時(shí)，各國(guó)都制定了相應(yīng)的生物燃料發(fā)展戰(zhàn)略，如美國(guó)欲在中西部打造航空生物燃料基地，這將極大促進(jìn)美國(guó)航空行業(yè)的綠色發(fā)展；德國(guó)政府提出了生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，提出通過(guò)大力發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)，以擺脫對(duì)化石能源的依賴(lài)、增加就業(yè)機(jī)會(huì)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、提高德國(guó)在經(jīng)濟(jì)和科研領(lǐng)域的全球競(jìng)爭(zhēng)力，且在2010年，啟動(dòng)了“2030年國(guó)家生物經(jīng)濟(jì)研究戰(zhàn)略通向生物經(jīng)濟(jì)之路”科研項(xiàng)目，計(jì)劃2011年至2016年間投入24億歐元用于生物經(jīng)濟(jì)的研發(fā)應(yīng)用。我國(guó)發(fā)展生物燃料產(chǎn)業(yè)是促進(jìn)克霾減排、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效手段，也是發(fā)展清潔能源緩解化石能源短缺、維護(hù)能源安全的重要力量，更是實(shí)施清潔能源支撐新農(nóng)村建設(shè)和城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略、促進(jìn)農(nóng)民增收的有效途徑。因此，我國(guó)十八大報(bào)告中就明確提出“支持節(jié)能低碳產(chǎn)業(yè)和新能源、可再生能源發(fā)展，確保國(guó)家能源安全”。生物質(zhì)能是唯一可再生的碳源，并可轉(zhuǎn)化成優(yōu)質(zhì)常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，是解決未來(lái)能源危機(jī)最有潛力的途徑之一。

1 固體生物質(zhì)燃料應(yīng)用技術(shù)

固體生物質(zhì)燃料的制備主要采用固化成型技術(shù)，可將低品位生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用的高品位生物質(zhì)燃料。在固化成型的過(guò)程中往往需要加入粘結(jié)劑來(lái)增加其表觀密度和抗破損能力。生物質(zhì)制品的主要原料為農(nóng)林類(lèi)廢棄物，如秸稈、木屑和玉米芯等。

1.1 成型技術(shù)

（1）工藝流程 目前普遍使用的固體生物質(zhì)燃料生產(chǎn)技術(shù)工藝流程如圖1所示。首先需對(duì)生物原材料進(jìn)行收集處理，去除水分多、灰分高、污染高、熱值低和不易燃燒的生物原材料后進(jìn)行干燥處理，使其既便于燃燒也便于運(yùn)輸和成型處理；然后進(jìn)行粉碎和壓縮處理，在壓縮的過(guò)程中一般需加入黏結(jié)劑，也可在這一過(guò)程中加入助燃劑，若黏結(jié)劑與助燃劑兩者合二為一效果更佳；最后形成便于燃燒、運(yùn)輸和存儲(chǔ)的固體生物質(zhì)燃料。

（2）技術(shù)類(lèi)型及應(yīng)用 固體生物質(zhì)燃料生產(chǎn)技術(shù)按生產(chǎn)條件的不同，可分為常溫濕壓成型、熱壓成型、冷壓成型和炭化成型技術(shù)。常溫濕壓成型技術(shù)指將纖維素原料置于常溫下浸泡水解處理，使纖維軟化、皺裂、濕潤(rùn)、水解后壓縮成型。該技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，但部件磨損較快，烘干成本高昂，燃燒特性較差，不利于推廣使用。熱壓成型技術(shù)根據(jù)加熱部位分為非預(yù)熱成型技術(shù)與預(yù)熱成型技術(shù)。非預(yù)熱成型技術(shù)只對(duì)成型部位進(jìn)行加熱，而預(yù)熱成型技術(shù)不僅對(duì)成型部位加熱，而且在原料進(jìn)入成型機(jī)之前也需加熱。預(yù)熱成型技術(shù)通過(guò)減低成型壓力，使成型部件壽命大幅提高。冷壓成型技術(shù)指在常溫下將生物質(zhì)顆粒高壓擠壓成型。該技術(shù)需要很大的成型壓力，可在壓縮過(guò)程中添加一定量粘結(jié)劑降低擠壓壓力。炭化成型技術(shù)根據(jù)炭化階段的先后可分為先炭化后成型與先成型后炭化。該技術(shù)將生物質(zhì)原料炭化成粉末狀木炭后，添加一定量粘結(jié)劑，用壓縮成型機(jī)壓成一定規(guī)格與形狀的成品木炭。該技術(shù)可有效減低成型部件磨損及擠壓過(guò)程中的能量消耗，但不利于貯存運(yùn)輸。

圖1 固體生物質(zhì)燃料生產(chǎn)流程

（3）技術(shù)設(shè)備 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)成型技術(shù)中的重要設(shè)備-成型機(jī)進(jìn)行了大量的研究。1998年?yáng)|南大學(xué)、江蘇省科技情報(bào)所和國(guó)營(yíng)9305廠(chǎng)研制出了MD-15型固體燃料成型機(jī)；20世紀(jì)90年代，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國(guó)農(nóng)機(jī)能源動(dòng)力研究所分別研究出了PB-1型機(jī)械沖壓式成型機(jī)、HPB系列液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)、CYJ-35型機(jī)械沖壓式成型?，F(xiàn)有的成型機(jī)主要包括螺旋擠壓式成型機(jī)、活塞沖壓成型機(jī)和壓輥式成型機(jī)，其中前兩種成型機(jī)技術(shù)較成熟，應(yīng)用較廣。

1.2 燃燒技術(shù)

（1）生物質(zhì)燃料直接燃燒技術(shù)。即利用燃燒設(shè)備（鍋爐和爐灶）直接燃燒生物質(zhì)燃料。爐灶燃燒的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，投資小，但燃燒效率低（10%～25%）、規(guī)模小，對(duì)生物質(zhì)資源利用產(chǎn)生極大浪費(fèi)。鍋爐燃燒可以通過(guò)使用先進(jìn)的鍋爐技術(shù)和燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的大規(guī)模高效燃燒，但投資大和操作復(fù)雜。鍋爐燃燒主要包括層燃技術(shù)和流化床燃燒。

1)層燃技術(shù)。適于燃燒含水率較高和粒徑不勻的生物質(zhì)燃料，一般額定功率不高于20 MW，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，采用的鍋爐主要有往復(fù)推飼爐排爐和鏈條爐。在國(guó)外，丹麥ELSAM公司改造出具有耐磨損、耐腐蝕和燃燒效率高等特點(diǎn)的Benson型鍋爐；國(guó)內(nèi)，田宜水等[1]研究設(shè)計(jì)雙燃燒室結(jié)構(gòu)的秸稈直燃熱水鍋爐，翟學(xué)民[2]研制出閉式爐膛結(jié)構(gòu)的甘蔗渣鍋爐。

2)流化床技術(shù)。具有熱容大、燃燒效率高、傳熱傳質(zhì)性好、有害氣體排放少等優(yōu)勢(shì)，主要用于燃燒水分大和熱值低的生物質(zhì)燃料。在國(guó)外，美國(guó)的CE公司成功研制出大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐；瑞典研制的大型流化床鍋爐，熱效率可達(dá)到80%；芬蘭在Kelionlahti市建造的泥煤與生物質(zhì)混燒流化床鍋爐，燃料為泥煤和碎木屑。該鍋爐容量為200MW電功率，熱功率為240WM，向Jvvaskvlan市供熱[3]。國(guó)內(nèi)，向柏祥等[4]根據(jù)生物質(zhì)燃燒特性，提出了垢下腐蝕機(jī)理，并設(shè)計(jì)了100MWe再熱生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐，并對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。宋景慧等[5]通過(guò)Fluent對(duì)220 t/h生物質(zhì)循環(huán)流化床爐膛進(jìn)行二維燃燒模擬；通過(guò)對(duì)爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)、O2、CO2等組分的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得知爐膛下方4 m截面處為生物質(zhì)燃料燃燒最劇烈，該位置燃燒反應(yīng)消耗絕大部分一次風(fēng)，爐膛內(nèi)其他截面溫度沿爐膛高度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，燃燒溫度較低且變化范圍較小。

（2）成型生物質(zhì)燃料燃燒技術(shù)。成型生物質(zhì)燃料因具有體積小、密度大、儲(chǔ)運(yùn)方便、燃料致密、無(wú)碎屑飛揚(yáng)、燃燒持續(xù)穩(wěn)定、燃燒效率高、燃燒后的灰渣和煙氣中污染物含量小等優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多的研究和應(yīng)用。另外，由于生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)成熟，推動(dòng)了固體生物質(zhì)燃料燃燒技術(shù)在各領(lǐng)域中的普遍使用。成型生物質(zhì)燃料燃燒研究在國(guó)內(nèi)雖然取得了一定的成果，但技術(shù)遠(yuǎn)落后于國(guó)外，因此，開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和符合我國(guó)國(guó)情的成型生物質(zhì)燃料燃燒技術(shù)是我國(guó)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)目標(biāo)。

（3）成型生物質(zhì)燃料與煤混燒技術(shù)。由于成型生物質(zhì)燃料熱值低、水分多、易受季節(jié)及區(qū)域影響，較難滿(mǎn)足連續(xù)穩(wěn)定燃燒與供應(yīng)要求，而煤是一種非再生的、不清潔的能源。將煤與生物質(zhì)混合燃燒不僅可以克服各自的缺陷，而且對(duì)原有的燃燒設(shè)備改變不大。國(guó)外，生物質(zhì)與煤混合燃燒技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)示范階段，美國(guó)和歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家已建成一定數(shù)量生物質(zhì)與煤混合燃燒發(fā)電示范工程，電站裝機(jī)容量通常在50～700 MW，少數(shù)系統(tǒng)在5～50 MW，燃料包括農(nóng)作物秸稈、廢木材、城市同體廢物以及淤泥等。國(guó)內(nèi)，對(duì)生物質(zhì)與煤混合燃燒的研究較多，但大部分都停留在生物質(zhì)與煤燃燒的排放特性上，而對(duì)先進(jìn)設(shè)備與技術(shù)研究相對(duì)滯后，如王永征等[6]使用水平管式爐模擬爐膛氣氛及積灰情況，采用腐蝕增重方法，對(duì)生物質(zhì)混煤燃燒過(guò)程中受熱面金屬管材的氯腐蝕特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，金屬試樣的腐蝕增重隨時(shí)間增加而增大，并符合拋物線(xiàn)規(guī)律，即初期存在快速腐蝕現(xiàn)象，生成保護(hù)薄層后腐蝕逐漸變緩。隨著生物質(zhì)摻混比例提高，反應(yīng)速率在快速腐蝕階段成比例增加，而后期變化不大。魯光武等[7]利用熱重分析儀,在不同生物質(zhì)及不同摻混比條件下,對(duì)3種生物質(zhì)與煤的混合試樣進(jìn)行燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，生物質(zhì)著火溫度比白沙煤低，通過(guò)摻燒生物質(zhì)可降低著火溫度，改善燃燒特性?；罨蹺和指前因子A隨混煤中生物質(zhì)比例增加而降低，表明煤中摻燒生物質(zhì)有助于改善煤的燃燒特性。

2 液體生物質(zhì)燃料應(yīng)用技術(shù)

隨著石油資源的匱乏、價(jià)格的攀升、環(huán)境的污染，尋找綠色可再生的石油替代燃料顯得越來(lái)越重要。液體生物質(zhì)燃料因具有資源豐富、價(jià)格低廉、可再生、零排放等優(yōu)勢(shì)而作為石油替代燃料最為理想，受到越來(lái)越多人的青睞。液體生物質(zhì)燃料主要包括燃料乙醇和生物柴油，其中燃料乙醇是被看好的石油替代燃料。

2.1 燃料乙醇

20世紀(jì)初葉，燃料乙醇因石油可大規(guī)模、低成本開(kāi)發(fā)而被淘汰，而如今，因燃料乙醇具有低廉、安全、環(huán)保、清潔和可再生等優(yōu)點(diǎn)而作為最佳石油替代燃料，被越來(lái)越多的人關(guān)注。國(guó)外，燃料乙醇在燃料市場(chǎng)中所占的比例逐年增加，巴西的乙醇出口量由2005年的24.3億升增加到2010年的80億升；2001-2006年，美國(guó)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)為聯(lián)邦政府增加稅收19億美元，減少石油進(jìn)口1.7億桶、減少外匯支出87億美元；2010年，美國(guó)環(huán)保署宣布同意將美國(guó)汽油中的乙醇含量上限由目前10%提高到15%，但只推薦2007年以后生產(chǎn)的汽車(chē)使用。我國(guó)在這方面也取得了令人矚目的成就，自2001年宣布推廣車(chē)用乙醇汽油以來(lái)，2005年底，成為世界第三大燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)，2007年僅汽油添加燃料乙醇就達(dá)到550萬(wàn)噸。

（1）生產(chǎn)技術(shù)。主要是指非糧食原料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)。燃料乙醇的乙醇含量一般為99.5%以上，高于無(wú)水乙醇（95%），生產(chǎn)過(guò)程對(duì)脫水處理要求更加嚴(yán)格，其脫水方法主要有萃取精餾法、共沸精餾法、吸附分離法和離子交換樹(shù)脂法等。目前燃料乙醇的生產(chǎn)成本較高，主要包括原料成本和能耗成本，因此，如何降低成本提高其在燃料市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

（2）應(yīng)用領(lǐng)域。作為最佳石油替代燃料的燃料乙醇，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸行業(yè)等。隨著各國(guó)碳排放體系的建立，燃料乙醇迎來(lái)了更加光明的前景，特別是在航空運(yùn)輸行業(yè)，通過(guò)使用燃料乙醇可以減少大量的碳稅，降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 生物柴油

生物柴油是利用動(dòng)植物油脂生產(chǎn)出來(lái)的一種分子量與柴油接近的長(zhǎng)鏈脂肪酸單烷基酯，具有十六烷值高、潤(rùn)滑性好、無(wú)毒、VOC低、高閃點(diǎn)和可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，可被用來(lái)替代柴油和作為化工產(chǎn)品原料使用。國(guó)外，生物柴油已經(jīng)被廣泛使用，2003年德國(guó)耕地面積為1180萬(wàn)公頃，其中90萬(wàn)公頃種植了能源植物，2005年已擁有1800多個(gè)生物柴油加油站；美國(guó)生物柴油的產(chǎn)量自2000年起快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2015年產(chǎn)量將達(dá)650萬(wàn)噸。近年來(lái)我國(guó)生物柴油發(fā)展迅速，并取得令人矚目的成就，但因其原料短缺、成本較高、政策扶持不到位而頻頻受阻。表1為世界部分國(guó)家生物柴油發(fā)展目標(biāo)及主要原材料[8]，由表1可見(jiàn)，各國(guó)對(duì)未來(lái)生物柴油的發(fā)展非常重視，并制定了詳細(xì)的目標(biāo)。

表1 部分國(guó)家生物柴油發(fā)展目標(biāo)及主要原材料

（1）生產(chǎn)技術(shù)。生物柴油生產(chǎn)技術(shù)主要有直接混合法、微乳化法、高溫?zé)崃呀夥?、酯交換法、酶催化法。其中直接混合法和微乳化法屬于物理方法，高溫?zé)崃呀夥?、酶催化法和酯交換法屬于化學(xué)法。表2羅列了4種主要生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)[9]，由表可知，各技術(shù)所需原料不盡相同，優(yōu)缺點(diǎn)也不相同。目前，制備生物柴油最多的方法是酯交換法，酯交換法以甘油三酸酯與甲醇在堿催化下通過(guò)酯交換制得。該方法具有原料廣泛、工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)而廣泛使用。同時(shí)，也存在一些不足，如生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量堿性廢水、催化劑不易分離回收、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重而制約其進(jìn)一步發(fā)展。

表2 生物柴油各生產(chǎn)技術(shù)的對(duì)比

（2）技術(shù)優(yōu)化。針對(duì)生物柴油生產(chǎn)過(guò)程催化劑不易分離回收導(dǎo)致腐蝕設(shè)備的問(wèn)題，前人作了大量研究，主要體現(xiàn)在技術(shù)優(yōu)化或?qū)と律a(chǎn)技術(shù)，例如董廣達(dá)等[10]采用浸漬與混捏相結(jié)合的方法制備了Ni-Mo/γ-Al2O3催化劑,并通過(guò)微型固定床反應(yīng)器對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在最適反應(yīng)壓力4 MPa、反應(yīng)溫度360℃、液態(tài)空速1.00 h-1下,質(zhì)量收率為80.3%，脫氧率為99.2%；靳福全等[11]采用共沉淀法制備了催化劑前體鎂鋁水滑石，再高溫焙燒制得鎂鋁復(fù)合氧化物催化劑。以蓖麻油和甲醇酯交換反應(yīng)為探針?lè)磻?yīng)，采用正交實(shí)驗(yàn)考察催化劑制備條件對(duì)催化劑活性的影響，結(jié)果表明，在碳酸鈉用量7.5%、焙燒溫度550℃、焙燒時(shí)間7 h條件下，制得催化劑用于蓖麻油和甲醇酯交換，得出蓖麻油轉(zhuǎn)化率平均可達(dá)96.2%。

（3）應(yīng)用領(lǐng)域。生物柴油的制備原料來(lái)源十分寬廣，不僅可以變地溝油為寶，而且還可以通過(guò)富油、易繁殖和易飼養(yǎng)的微藻生物制得。通過(guò)微藻生物制備生物柴油，可以提高生物柴油的質(zhì)量，還有望降低生物柴油的成本，具有非常光明的前景。因生物柴油成本低廉、清潔和可再生，而被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。

3 氣體生物質(zhì)燃料應(yīng)用技術(shù)

將生物質(zhì)制成氣體燃料是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效清潔利用的另外一種形式，主要包括生物質(zhì)發(fā)酵（沼氣）利用、生物質(zhì)氣化利用、生物質(zhì)制氫利用。其中生物質(zhì)制氫技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)，可用于很多領(lǐng)域，特別是燃料電池、汽車(chē)燃料方面。

3.1 生物質(zhì)發(fā)酵技術(shù)利用

沼氣是指生物質(zhì)通過(guò)厭氧微生物分解代謝后生成的以甲烷為主的氣體，還包括少量的硫化氫、氫氣、二氧化碳。沼氣發(fā)酵包括3個(gè)階段，即水解液化階段、酸化階段和產(chǎn)甲烷階段。隨著生物技術(shù)不斷發(fā)展，促進(jìn)了高效厭氧微生物的挖掘使用，促進(jìn)了沼氣利用的發(fā)展。我國(guó)很重視這一領(lǐng)域的研究應(yīng)用，2007年以來(lái)，我國(guó)密集出臺(tái)了一系列規(guī)范、鼓勵(lì)沼氣發(fā)展的政策法規(guī)，其中《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》的頒布，更是將沼氣列為中國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的生物質(zhì)能源；根據(jù)《中國(guó)農(nóng)村能源年鑒》統(tǒng)計(jì)，2001-2009年中央政府對(duì)沼氣建設(shè)的累計(jì)投資達(dá)196.1億元，累計(jì)補(bǔ)貼農(nóng)戶(hù)1453.4萬(wàn)戶(hù)，占建池戶(hù)數(shù)的41.4%。中國(guó)是世界上最大的沼氣生產(chǎn)國(guó)，2008年全國(guó)各地新增處理農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程1.36萬(wàn)處，年增38.9%，總池容達(dá) 451.48萬(wàn)m3，年產(chǎn)沼氣5.26億m3；到2010年，建成規(guī)?；I(yè)有機(jī)廢水沼氣工程1600座、畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程4700座、大中型沼氣工程年產(chǎn)沼氣約40億m3，沼氣發(fā)電達(dá)到100萬(wàn)kW。在國(guó)外，瑞典的沼氣能源56%用于供熱、19%用于汽車(chē)燃料、8%用于發(fā)電和4%注入天然氣管道，沼氣汽車(chē)加氣站有120多座；英國(guó)沼氣發(fā)電裝置裝機(jī)容量2006年已達(dá)到720MW。

3.2 生物質(zhì)氣化技術(shù)

生物質(zhì)氣化是在一定條件下將生物質(zhì)的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化成含一氧化碳、甲烷、氫氣氣體的過(guò)程，可分為有氣化劑氣化和無(wú)氣化劑氣化兩類(lèi)。有氣化劑氣化指在高溫下以空氣、氧氣、水蒸氣、氫氣或其混合氣等作為氣化劑，通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w；無(wú)氣化劑氣化指在高溫、隔絕空氣的條件下，通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w。生物質(zhì)氣化技術(shù)中關(guān)鍵裝置是氣化爐，國(guó)內(nèi)外在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，并取得諸多研究成果。例如：日本學(xué)者KentaroUmeki等[12]利用上吸式固定床氣化爐通過(guò)改變水蒸汽溫度、水蒸氣與生物質(zhì)比重、生物質(zhì)進(jìn)料速度及生物質(zhì)粒徑來(lái)研究生物質(zhì)氣化結(jié)果，結(jié)果顯示改變水蒸汽溫度、水蒸氣與生物質(zhì)比重、生物質(zhì)進(jìn)料速度對(duì)生物質(zhì)氣化結(jié)果影響明顯，而改變生物質(zhì)粒徑對(duì)生物質(zhì)氣化結(jié)果影響不大；我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱舒揚(yáng)等[13]提出利用生物質(zhì)氣化氣為選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)反應(yīng)的添加劑，并進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明生物質(zhì)氣化氣作為添加劑可以提高低溫條件下SNCR反應(yīng)的脫硝效率。

3.3 生物質(zhì)制氫技術(shù)

氫氣是一種熱值高、無(wú)污染的可再生能源，近年來(lái)隨著氫氣貯存技術(shù)和燃料電池技術(shù)的迅速發(fā)展，氫氣的制取和利用日益受到重視，被認(rèn)為是一種最具潛力的替代能源，生物質(zhì)可以通過(guò)一定技術(shù)手段制取氫氣。目前生物質(zhì)制氫技術(shù)主要有生物質(zhì)氣化制氫和生物乙醇制氫。

（1）生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)生物質(zhì)氣化制氫原理基于生物質(zhì)氣化原理，差別是生物質(zhì)氣化制氫需將生物質(zhì)氣化后得到的可燃性氣體與水蒸汽進(jìn)行多次重整而得到純凈的氫氣。目前，國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在氣化爐、催化劑和氣化介質(zhì)上，如德國(guó)的斯圖加特太陽(yáng)能和氫能研究中心采用煅燒白云石作CO2吸收劑來(lái)吸收蒸汽氣化產(chǎn)生的CO2，且在快速內(nèi)循環(huán)流化床（FICFB）和固定床中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)品氣中氫氣含量最高可達(dá)67.5%，而C02和CO含量分別降低為3.3%和0.3%。

（2）生物乙醇制氫技術(shù)生物乙醇制氫是目前研究比較多的技術(shù)，包括膜催化重整制氫、乙醇水蒸氣重整、乙醇部分氧化重整、乙醇二氧化碳重整制氫及乙醇氧化重整制氫。另外，還有一些新的方法，如低溫等離子體重整乙醇制氫、光催化乙醇制氫、超臨界水重整乙醇制氫等。我國(guó)對(duì)生物乙醇制氫進(jìn)行了大量的研究工作，朱虹等[14]采用吸附強(qiáng)化技術(shù)強(qiáng)化乙醇水重整制氫過(guò)程，在最優(yōu)工藝溫度422-444℃、水醇比 10.2～10.8、液空速 0.13 h-1下，氫產(chǎn)率同比提高51.7%，氫含量同比提高22.9%；張麗娟等[15]采用共沉淀法制備了Co3O4/Ce0.8Pr0.2O2催化劑，并將其用于乙醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)，結(jié)果表明，催化劑中部分Co進(jìn)入到載體晶格中,使載體發(fā)生畸變產(chǎn)生更多氧空位；載體中Pr摻雜有利于提高催化劑的抗積碳性能，同時(shí)可增強(qiáng)Co3O4與載體之間的相互作用，提高金屬Co的抗燒結(jié)性能。

（3）應(yīng)用領(lǐng)域 我國(guó)天然氣在能源系統(tǒng)中所占比例很低，發(fā)展替代天然氣是非常必要的。作為天然氣最佳替代燃料的氣體生物質(zhì)燃料，其應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，對(duì)農(nóng)村和城市的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

4 小結(jié)與展望

成型固體生物質(zhì)燃料作為傳統(tǒng)煤炭燃料替代燃料，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，但燃料在成型過(guò)程中會(huì)增加額外能耗及人工成本，且成型固體生物質(zhì)燃料燃燒效率較低，因此發(fā)展新型成型技術(shù)及提高燃燒效率是成型固體燃料的發(fā)展關(guān)鍵。液體生物質(zhì)燃料作為傳統(tǒng)石油的替代燃料，應(yīng)用于交通運(yùn)輸，具有資源豐富、無(wú)污染、可再生等優(yōu)勢(shì)，結(jié)合國(guó)家政策的大力扶持，發(fā)展迅速。但目前液體生物質(zhì)燃料主要以玉米、大豆及小麥等經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物為主，造成“與民搶糧”的不合理局面，從能源償還比來(lái)看不劃算。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，以植物纖維為原料的燃料乙醇，才是今后的主要發(fā)展方向。氣體生物質(zhì)燃料可作為傳統(tǒng)天然氣的替代燃料，有效改變我國(guó)富煤貧氣的能源格局。目前，氣體生物質(zhì)燃料主要以沼氣及生物質(zhì)氣化氣為主，我國(guó)已將沼氣建設(shè)工程在全國(guó)各地推廣，但因投資大、維護(hù)成本高，限制了其進(jìn)一步發(fā)展，在農(nóng)村建設(shè)沼氣工程服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的氣化氣熱值相對(duì)較低、成本較高，發(fā)展較緩慢，但通過(guò)優(yōu)化催化劑、工藝流程及氣化劑是解問(wèn)題的關(guān)鍵。

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