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生物质热解气化及应用技术

一、引言

随着工农业经济的发展，全世界对能源的需求日益增加，据报道，到2020年全世界的能量消耗量将比现在增长一倍。目前，这种能源需求主要通过增加石油、煤炭的消耗量来满足，这不仅涉及到有限的石油、煤炭资源的维持问题，而且会使危及人类的环境污染问题变得日趋严重，因此，寻求新能源和可再生能源是我们迫切需要解决的重大课题。各类农作物秸秆和各种工业生物质垃圾等生物质原料一方面是主要的污染源，同时也是极为重要的可再生资源。

仅我国农村每年就有各类农作物秸秆6亿多吨，除用于畜牧饲料、还田肥料、工业原料及直接燃用秸秆作为农民的炊事燃料以外，出现了剩余成灾的现象。每到收获季节，大量的秸秆在田间地头被付之一炬，既浪费了宝贵的资源，也严重污染了环境，甚至影响到公路交通及飞机的正常起降。有关部门曾多次发文禁止焚烧秸秆，但一直未能杜绝这一现象，而且在一些地区甚至有愈烧愈烈之势。同时，农村优质商品能源的短缺已经制约了9亿农民生活方式的进步和农村的社会发展。

许多企业在生产产品的过程中，也产生了各种大量的生物质废料，如纸厂麦草筛选废料、中药渣、蔗渣、糠醛渣、木屑、稻壳等，已成为较难处理的生物质垃圾。目前大都采用堆积或挖坑倾倒的方法，既浪费了人力财力，污染了环境，又占用了大量的有效土地，同时，也使这些低质生物质能源白白地浪费，而其中多数企业还需大量购买商品能源，以满足生产需要。

生物质能是来源于太阳能的一种可再生能源，资源丰富，分布均匀，生物质在生长过程中吸收大气中的CO2而成为碳元素向地表循环的最重要途径。因此利用新技术开发利用生物质能不仅可以代替部分化石原料，而且有助于减轻温室效应和使生态良性循环，成为解决能源与环保问题的重要途径之一。

但是，生物质原料也具有松散、密度低、高挥发分、低热值等缺点，带来了收集、贮存和使用的困难。炉灶直接燃烧是主要的传统生物质能利用方法，其能源利用率只有%，用能过程费时费力，并排放出大量烟尘。只有采用新的转换技术克服这些缺点，才能使生物改变疲劳实验机质这种宝贵而丰富的资源在现代能源结构中保持它的地位。生物质热解气化技术可以将固体生物质原料转变成气体燃料，使其使用更加方便清洁，而且能量转换效率比直接燃烧有较大提高。是一种极具发展前途的可再生能源利用方式。

二、国内外情况及发展趋势

能源是国民经济发展的物质基础，人类的进步和社会的发展与能源的开发利用和能源科技的发展紧密相关，同时能源开发利用所产生的环境污染和生态破坏又影响着人类的生存。在人类历史上，首先被开发利用的能源是生物质能，只是在工业革命以后，能量密度更高，而开采、运输、使用更为方便的煤、石油、天然气等化石能源才逐步取代了生物质能的作用，大量用于生产。由于化石能源的大量开采利用带来了不可逆转的环境和生态破坏，更由于七十年代的石油危机使工业发达国家认识到化石能源的不可再生性和分布不均匀性，世界各国都愈来愈重视包括生物质能在内的可再生能源技术的开发。我国也制定了一系列有关可再生能源的政策法规，提出了“因地制宜、多能互补、综合利用、讲求效益”的指导思想。

生物质热解气化可分为热解、气化和快速热解等技术，其转换过程和应用过程都可以派生出许多技术，形成丰富多彩的技术门类，如：气化器的形式有固定床、移动床、流化床、气流床等；气化介质可以是空气、空气/水蒸气、富氧空气等；而燃气则可用于炊事、加热、锅炉或发电等。生物质热解气化技术已有100多年的历史，以木炭为原料的气化反应器产生于1983年。早期的技术主要是将木炭气化后用作内燃机燃料。二战期间，这一技术在工程上得到了广泛的应用，我国在石油供应紧张的五十年代，也较多地使用气化器来解决汽车和农田灌溉的动力问题。

七十年代以来，欧美等发达国家对生物质气化技术的研究十分重视，均有许多单位在进行此项技术的研究，并达到了较高的水平。如德国鲁奇公司正在进行100MW生物质燃气联合循环（IGCC）的示范工程，成功后将是一种高效的发电系统；美国可再生能源实验室（NREL）和夏威夷大学也在进行IGCC的蔗渣发电系统的研究；荷兰特温特（Twente）大学进行流化床气化器和焦油催化裂解装置的研究，推出了近于实用的无焦油气化系统。近期的研究主要集中于将生物质转换为高氢燃气、裂解油等高品质燃料，并结合燃气轮机，斯特林发动机、燃料电池等转换方式，转换为电能，为21世纪的电力供应作技术储备。英国Aston大学和美国的诸多研究单位在生物质热解液化的研究方面也取得了一定的突破。

我国一些研究单位也在进行生物质气化技术的研究，开发了一批适合我国国情的技术和产品，已经达到实用程度并且已进行示范推广的技术主要有：（1）秸秆气化集中供气技术，即山东省科学院能源研究所经过“七五”、“八五”、“九五”期间的研究形成的技术，已形成可供100－1000户居民炊事用能的供气系统。（2）气化发电机组：原商业部科研所和红岩机器厂研制的稻壳发电系统，已有一定程度的推广，中科院广州能源所研制的1MW流化床气化发电系统代表了我国目前气化发电动刚度实验机的功能与特点：技术的水平；（3）木材加工废弃物气化后直接利用，如中国农机院研制的木材气化烘干设备等。这些技术展示了生物质气化技术的经济可行性和发展趋势。

三、本单位工作概况

1、研究与开发

山东省科学院能源研究所在生物质热解气化技术研究方面，先后承担了国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关项目中秸秆气化集中供气技术专题及山东省的科技攻关课题。经过大量实验研究工作，克服了秸秆物理性质方面的缺点，突破原有气化理论的限制，成功地气化了秸秆类低质生物质原料，在国内首先提出了生物质气化集中供气系统的技术路线。该技术采用热解气化的方法将秸秆转换为可燃气体，以自然村为单元形成集中供气系统，为农民供应炊事燃气。以秸秆为原料的生物质气化机组，气化效率达到了72――75％，燃气热值达到5MJ/Nm3。开创了我国利用低质秸秆原料为农民供应高品位生活燃气的新事业。在“七五”小试，“八五”研制的单机供应100－220户居民生活燃气的基础上，“九五”期间发展为单机供应100－500户，联机供应500户到近千户居民生活燃气的供气系统。并针对系统运行中出现的问题，对秸秆气化机组和供气系统进行了多次改进与完善，在技术水平，操作工艺，设备配置等方面都有了较大的进步。截止99年6月份，已在山东、北京、山西、湖北、江西、江苏、甘肃、黑龙江等近20个省（市）建设了100多个秸秆气化示范工程，经受了长期运行的考验，总结了运行、管理经验。编制了常压固定床生物质气化机组制造技术条件，农村生物质燃气供应系统设计规范、农村生物质燃气供应系统施工和验收规范，农村生物质燃气供应系统运行维护规范等四项山东省地方标准，于98年5月由山东省技术监督局颁布实施。1997年生物质气化集中供气技术荣获国家发明四等奖，山东省科技进步一等奖。

2、实验条件

在多年研究工作的基础上，我们逐步强化了我们的试验力量，建成了多个有代表性的试验台架，配置了蜂鸣器鸣响报警基本的测试、分析仪器，并且在98年灌装机我所申报了“山东省生物气化技术重点实验室”，已获批准，山东省科学院专门为我所建造了1200m2的生物质气化实验室，已开始启用,为我们承担相关的重点课题、进行生物质气化技术的深化研究,打下了坚实的试验基础。