環(huán)保高效的生物質(zhì)氣化技術(shù)

中國科學(xué)院廣州能源研究所

在化石能源資源枯竭和溫室效應(yīng)的壓力下，清潔新能源的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。生物質(zhì)能作為唯一可儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)目稍偕茉?，唯一可轉(zhuǎn)化成氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料以及其他化工原料或產(chǎn)品的可再生能源，日益受到各國的重視。

生物質(zhì)能是一種以生物質(zhì)為載體的能量，這種能量直接或間接地通過綠色植物的光合作用，把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能蘊(yùn)藏在生物質(zhì)內(nèi)部。生物質(zhì)包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動(dòng)物及其生產(chǎn)的廢棄物。生物質(zhì)能資源通常指農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物和畜禽糞便等現(xiàn)有的廢棄型資源，此外還包括專門種植的能源植物。二氧化碳（CO2）是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w，而生物質(zhì)燃燒所釋放出的二氧化碳（CO2）大體上相當(dāng)于其生長時(shí)通過光合作用所吸收的二氧化碳（CO2），因此生物質(zhì)能利用的二氧化碳（CO2）排放可被認(rèn)為是零。

生物質(zhì)氣化顧名思義，是將固態(tài)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的生物燃?xì)饫茫@個(gè)過程是通過生物質(zhì)在高溫條件下與氧氣和/或水蒸氣反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氫氣（H2）和一氧化碳（CO）等可燃?xì)怏w。生物質(zhì)氣化和我們比較熟悉的燃燒雖然都是在高溫條件下進(jìn)行，但還是有重要的區(qū)別。燃燒是在氧氣充足的條件下生物質(zhì)完全燃燒，其中蘊(yùn)藏的化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為熱能，反應(yīng)產(chǎn)物為二氧化碳（CO2）和水（H2O）；而氣化則是在缺氧條件下生物質(zhì)不完全燃燒，盡可能地減少二氧化碳（CO2）和水（H2O）的生成，從而將生物質(zhì)的能量以化學(xué)能的形式保留在氫氣（H2）和一氧化碳（CO）等可燃?xì)庵小?/p>

生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的可燃?xì)?，也稱為生物質(zhì)氣化燃?xì)?，利用范圍非常廣泛，既可以用來集中供氣、替代化石燃料，還可以用來發(fā)電，甚至可以進(jìn)一步變身成為液體燃料。

將生物質(zhì)氣化燃?xì)馔ㄟ^集中供氣系統(tǒng)，供給到居民家里，可以供居民進(jìn)行炊事和采暖。自1994年山東省桓臺(tái)縣東潘村建成中國第一個(gè)生物質(zhì)氣化集中供氣試點(diǎn)以來，山東、河北、遼寧、吉林、黑龍江、北京、天津等省市陸續(xù)推廣應(yīng)用，在2000年前后達(dá)到了一個(gè)高峰。相關(guān)規(guī)范和制度正逐步完善，生物質(zhì)氣化集中供氣應(yīng)用在中國農(nóng)村能源建設(shè)中穩(wěn)步推進(jìn)。

生物質(zhì)氣化燃?xì)膺€可以替代工業(yè)鍋爐/窯爐使用的化石燃料。工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐是我國能源消耗和污染排放的大戶。而生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，可不經(jīng)凈化直接應(yīng)用于燃料品質(zhì)要求較低的工業(yè)窯爐，如鋼廠的軋鋼加熱爐，水泥廠的水泥回轉(zhuǎn)爐；經(jīng)過凈化后的燃?xì)饪蓱?yīng)用燃料品質(zhì)要求較高的工業(yè)窯爐，如發(fā)電廠、陶瓷廠的窯爐。廣州能源所及其合作公司已將生物質(zhì)氣化成功應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、鋼材煅燒爐、熔鋁爐、熔銅爐、不銹鋼退火爐等，燃燒效率可達(dá)到99%以上，節(jié)能減排效益顯著。利用生物質(zhì)氣化燃?xì)獯婊剂?，既?jié)能又環(huán)保。

生物質(zhì)氣化燃?xì)饪梢酝ㄟ^推動(dòng)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電。由于生物質(zhì)氣化發(fā)電可以采用內(nèi)燃機(jī)，也可以采用燃?xì)廨啓C(jī)，甚至結(jié)合余熱鍋爐和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，所以氣化發(fā)電可以根據(jù)規(guī)模大小選用合適的發(fā)電設(shè)備，保證在任何規(guī)模下都有合理的發(fā)電效率。這種靈活性保證氣化發(fā)電在小規(guī)模下也有較好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)燃?xì)獍l(fā)電過程簡單、設(shè)備緊湊，使得生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)比其他可再生能源發(fā)電技術(shù)投資更小。生物質(zhì)本身屬于可再生能源，有效減少污染氣體排放，而氣化過程溫度較低（大約在700℃-900℃），氮氧化物的生成量少，可以有效控制氮氧化物污染物的排放，具有較好的潔凈性。2006年，廣州能源所建成我國首個(gè)內(nèi)燃機(jī)—蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程。我國的生物質(zhì)氣化發(fā)電正在向產(chǎn)業(yè)規(guī)?；较虬l(fā)展，是國際上中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電應(yīng)用最多的國家之一。

生物質(zhì)氣化燃?xì)膺€可以進(jìn)一步變身，用于合成液體燃料。將生物質(zhì)氣化后的氣相產(chǎn)物凈化，并且調(diào)整組分，形成生物質(zhì)氣化合成氣。再對這種合成氣進(jìn)行增壓、催化等處理，就可以得到化石燃料替代品產(chǎn)品，比如合成汽油、柴油及含氧化合物液體燃料（甲醇、二甲醚）等。廣州能源研究所在2009年和2013年分別建成國內(nèi)首個(gè)年產(chǎn)千噸級別的二甲醚和低碳醇燃料示范項(xiàng)目。但我國目前尚未有商業(yè)化運(yùn)行的氣化合成燃料項(xiàng)目。