生物质气化

生物质能的气化技术及应用随着能源需求的不断增长，环保意识的不断提高，人们对可再生能源的重视程度不断上升。

生物质能作为一种广泛存在的可再生能源，在近年来越来越受到人们的关注。

生物质能气化技术，作为一种重要的转化形式，能够有效地促进生物质能的利用和发展。

本文将就生物质能的气化技术及其应用进行详细阐述。

一、生物质能的气化技术1. 定义生物质能气化是指将生物质原料通过加热、压缩、化学反应等方法，将生物质分解成一系列的合成气（syngas）和残渣的过程。

生物质能气化通常由生物质的接受、预处理、气化、气体清洗和利用等步骤组成，而气化过程则是其中的核心环节。

2. 气化反应及机理生物质能气化是一种复杂的化学反应，产物是一种含有不同成分的气体混合物。

气化反应的主要机理之一是催化分解反应，常常需要高温(800℃-1000℃)或微波作用来实现；另一种机理是氧化-还原反应，即氧气和生物质能发生氧化反应，生成一系列的气体，包括CO2、H2O、CO、H2等气体。

3. 技术路线及设备生物质气化技术路线通常有三种：热分解气化(thermochemical gasification)、生物化学气化(biochemical gasification)和热化学气化(thermo-biochemical gasification)。

热分解气化是指利用高温、高压和/或催化剂等液体或气体基质对固体生物质材料进行物质转化和化学反应，产生可燃气体混合物。

生物化学气化是指通过一种或多种微生物的代谢作用，将生物质转化为CH4、CO2和H2等气体。

热化学气化则是一种将热化学和生物化学两种气化方式的特点结合起来的综合气化技术。

生物质气化设备也很多样化，包括固定床气化炉、移动床气化炉、流化床气化炉、旋转炉气化炉、微波气化炉、电流自燃气化炉等，其中各种气化技术和设备有着其各自的特点和应用领域。

二、生物质气化技术的应用1. 输电电力生物质气化技术可以将生物质资源转换为可再生能源，用于输电电力领域，发电厂利用生物质气化的热能，通过涡轮发电机将电能转换为电信号，用于供电领域。

生物质气化气的化学反应机理生物质气化技术是一种能够将生物质转化为燃气的技术，常见的生物质包括木材、秸秆等。

通过气化反应，生物质中的碳、氢、氧等元素可以与气体反应，形成一种高效的燃料——生物质气。

生物质气化气的化学反应机理十分复杂，本文将从生物质的组成、气化反应的基本原理、燃气的成分和生物质气化过程的优化方面进行讲解。

一、生物质的组成生物质是一种天然的可再生资源，它由各种不同种类的有机物质组成。

其中最主要的成分是纤维素、半纤维素和木质素。

纤维素占生物质的总质量的40-50%，是生物质的主要结构成分，它由大量的葡萄糖分子组成。

半纤维素占生物质总质量的20-30%，它是由木聚糖、木寡糖和其他糖类组成的。

木质素占生物质总质量的15-25%，是一种高度聚合的芳香族化合物。

二、气化反应的基本原理生物质气化技术可以将生物质转化为燃气，其基本原理是将生物质加热至高温状态下，使得生物质中的有机物分解成气体，即生物质气。

在生物质气化反应中，生物质的主要成分纤维素、半纤维素和木质素分解成气态产物，同时释放出大量的能量。

三、燃气的成分生物质气化所产生的燃气主要由碳氧化物、一氧化碳、氢气和甲烷等组成。

其中，一氧化碳是生物质气化的主要产物，其含量可达到20-30%。

氢气是生物质气化反应中的重要产物，其含量可达到10-15%。

同时还包括少量的甲烷和二氧化碳等气体。

四、生物质气化过程的优化方案对于生物质气化气的化学反应机理，优化生物质气化过程是非常必要的。

以下是几种优化方案：1. 温度控制生物质加热至高温状态，是气化反应能够进行的前提。

但是，在气化反应过程中，温度过高或过低都会影响生物质气产率。

在实际生产中，控制好反应中的温度是非常关键的。

2. 添加催化剂添加适当量的催化剂是提高生物质气化效率的一种有效方法。

催化剂可以在反应过程中有效地降低反应温度，促进生物质分解，增加生物质气成分中氢气和甲烷的含量。

3. 氧气含量的控制生物质气化反应需要一定的氧气参与才能保证反应的进行，但是含氧量过高会导致生物质中的一氧化碳无法转化，导致产生大量的废气。

生物质气化气的发展历程生物质气化气是指将生物质作为原料进行气化或部分气化，得到的可燃气体。

其主要成分为一氧化碳、氢气和甲烷等。

生物质气化气作为一种清洁能源，可有效降低二氧化碳等温室气体的排放，成为全球能源领域的热点之一。

在我国，生物质气化气的发展历经多个阶段，经历了从技术落后到逐步成熟的过程。

一、起步阶段 (20世纪60年代至80年代中期)在20世纪60年代至80年代初期，生物质气化气技术刚刚起步，主要应用于一些独立的乡村和城市能源供应，比如Westphalia发电厂。

当时，生物质气化气技术的研发和应用都处于初级阶段，存在着诸多技术瓶颈，例如，锅炉床的设计、一次风量的精确控制、燃料的均匀供给等，限制了技术的发展。

二、发展阶段 (80年代中期至21世纪初)20世纪80年代中期至21世纪初，生物质气化气技术得到了较大的发展。

一方面，国内外开始大力推广生物质气化气技术，加大了对该领域的研究、开发和应用投入，特别是 Lurgi-Gasification工艺、Haslinger工艺和HT-CFB燃气器等技术逐渐发展成熟，使得生物质气化气技术大幅提升。

另一方面，国家对生物质气化气的政策支持力度不断加大。

1983年，中国科学院先进研究院在北京组建了一个气化研究组，开展生物质气化气的研究工作。

1991年，国家科委批准成立了“国家自然能源实验室”，专门从事生物质气化气的基础研究和应用研究。

1993年，国家再次用5年时间支持10个生物质气化气重点示范工程。

三、爆发阶段 (21世纪初至今)随着我国经济飞速发展，能源安全和环境保护的要求日益增加，生物质气化气呈现出愈加庞大的市场需求。

因此，21世纪初至今，生物质气化气技术实现了快速发展。

一方面，国家相继出台了一系列支持生物质气化气发展的政策。

2005年，《清洁能源法》和《可再生能源发展中长期规划》确定了生物质气化气为国家重点支持领域，2011年，《水泥行业节能减排技术政策》将生物质气化气列为水泥行业废弃物资源化利用的技术指南。

生物质制气原理
生物质制气是一种将生物质作为原料通过热解、气化等过程产生可燃气体的技术。

生物质制气的原理是将生物质材料加热至一定温度下，使其发生热解或气化反应，从而分解生成含有可燃气体（如一氧化碳、氢气、甲烷等）的气体。

这些可燃气体可以用作燃料，提供热能或发电。

生物质制气的主要过程包括热解、气化和气体净化：
1. 热解是指将生物质在缺乏氧气的条件下加热，使其分解产生可燃气体和固体残渣。

热解反应的温度通常在300℃-600℃之间，主要生成一氧化碳、水蒸气和固体碳质残渣。

2. 气化是指生物质在高温下与气化剂（一般是水蒸气、氧气或二氧化碳）反应，产生可燃气体。

气化反应的温度通常高于700℃，可以得到更高的气化效果和产气率。

3. 气体净化是指将生物质气化产生的气体经过净化处理，去除其中的杂质和有害成分，以便安全使用或储存。

生物质制气技术具有循环利用生物质资源、降低碳排放、减少对化石燃料的依赖等优点，广泛应用于生物质能源利用和可再生能源领域。

生物质气化技术生物质气化原理生物质气化是指将生物质原料（柴薪、锯末、麦秆、稻草等）压制成型或简单破碎加工处理后，送入气化炉中，在欠氧的条件下进行气化裂解，从而得到的可燃气体，根据应用需要有时还要对产出气经行净化处理从而得到优质的产品气。

生物质气化原理是在一定的热力学条件下，借助于气化介质（空气、氧气或水蒸气等）的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原、重整反应，热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化成为小分子碳氢化合物，获得CO、H2和CH4等气体。

由于生物质由纤维素、半纤维素、木质素、惰性灰等组成，含氧量和挥发份高，焦炭的活化性强，因此生物质与煤相比，具有更高的气化活性，更适合气化。

生物质气化主要包括气化反应、合成气催化变换和气体分离净化过程（直接燃用的不用分离净化）。

生物质气化反应原理如图2-1所示：生物质气化化学反应式（以空气为气化介质）：CH1.4O0.6+0.4O2+1.5N2=0.7CO+0.3CO2+0.6H2+0.1H2O+(1.5N2)生物质可燃气的优点1）生物质可燃气除具有生物质燃料的一般特点外，还具有以下优点：2）环保清洁型气体燃料；3）燃烧特性好，燃尽率高；4）含硫量极低，仅为燃料油的1/20左右，不用采取任何脱硫措施即可达到环保要求；5）含氮量极低，燃烧时不用采取任何脱硝措施即可达到环保要求；6）燃气含灰量低；7）“0”排放：生物质燃烧排放的CO2与其在生长过程中吸收的CO2相同，且替代了化石能源，减少了净排放，根据《京都议定书》机制，生物质燃料CO2为生态“0”排放。

生物质可燃气的热值、主要成分、燃烧产物1）生物质气体燃料的热值：一般为5～8MJ/m3；2）生物质气体燃料的成分：其主要可燃成份为CO、H2和CH4和一些C2H4高分子碳氢化合物及少量焦油；3）生物质气体燃料的燃烧产物：生物质气体燃料是一种可再生的环保清洁型能源，硫含量很低，主要燃烧产物为CO2、H2O、N2。

第53卷第4期 辽 宁 化 工 Vol.53，No. 4 2024年4月 Liaoning Chemical Industry April，2024收稿日期： 2024-03-01 生物质气化的研究进展于美双，侯硕*（沈阳工业大学 化工装备学院， 辽宁 辽阳 111000）摘 要： 生物质能源具有安全性高、环保性强、分布广泛、易储存运输和产量大的优点，生物质能已成为继三大化石能源后的第四大能源，生物质气化作为生物质的一种重要应用形式，具有巨大的发展潜力和价值。

介绍了生物质气化的概念、基本原理，并分析了气化剂气化、热解气化、催化气化、等离子体气化、超临界水气化等气化技术的优缺点，同时阐述了固定床气化炉、流化床气化炉、气流床气化炉、回转窑炉和等离子气化炉的工作原理及各自优缺点，最后指出生物质气化技术目前面临的问题，提出解决措施。

关 键 词：生物质能源； 生物质气化； 气化原理； 气化技术； 关键设备中图分类号：X382 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2024）04-0606-06随着社会对能源需求的不断增长，现阶段石油、煤炭等化石能源面临着资源枯竭的风险，同时存在着气候变暖和空气污染等问题，对社会与环境造成很大影响，因此能源问题得到重视[1]。

而生物质能被认为是太阳能等所有可再生能源中最有发展前景，是继煤炭、石油和天然气之后的第四大能源[2]。

所以，生物质能源的利用引起了研究人员的高度重视，本文将对生物质气化技术及气化设备进行了详细概述。

1 生物质气化的概念及基本原理生物质气化是一种将固体生物质物料（如木材、农作物残留物、动植物废弃物、植物纤维等）在高温、无氧或者缺乏足够氧气的条件下转化为可燃气（通常包括氢气、一氧化碳和甲烷等）的技术[3]。

根据反应温度和产物不同，生物质气化主要可以分为4个过程[3-4]：1）干燥过程：是生物质从进料口进入气化炉后，在热量的作用下，将水分蒸发掉，变成干燥的生物质的过程。

生物质气化技术简介1、生物质能概述生物质能源是绿色植物将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内的能量，通常包括: 木材及森林工业废弃物"农业废弃物"生活有机废弃物"水生植物"油料植物等。

世界能源消费中仅次于三大化石能源位列第四，占比达14%。

据统计资料介绍，2009年，欧盟生物质能源的消费量约占欧盟能源消费总量的6%，美国的生物质能源利用占全国能源消费总量的4%，瑞典为32%。

我国是个农业大国，生物质资源丰富，生物质能占能源消耗总量的20%，农村总能耗的65%以上为生物质能，其中薪材消耗量约占总能耗的29%。

生物质能源是一种理想的可再生能源，具有以下特点：(1)可再生性；(2)低污染性(生物质硫含量、氮含量低，燃烧过程中产生的SO2、NO2较低，生物质作为燃料时，二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减少温室效应)；(3)广泛的分布性。

缺乏煤炭的地域可充分利用生物质能。

典型生物质的密度为400~900kg/m3，热值为17600~22600kJ/kg。

表1分别是几种典型生物质燃料的元素分析和工业分析。

表1 几种典型生物质燃料元素分析和工业分析生物质能的研究开发，主要有物理转换、化学转换和生物转换3大类。

涉及到气化、液化、热解、固化和直接燃烧等技术。

生物质能转换技术及产品如图1所示。

图1 生物质能转换技术及产品2 、生物质气化生物质气化是一种热化学转换技术，利用空气、氧气或水蒸气作为气化剂，将生物质转化成可燃气体的的过程。

生物质气化可将低品位的固态生物质转换成高品位的可燃气体，可应用于集中供气、供热、发电以及作为化成化工品和原料气等。

2.1 气化原理（以上吸式固定床为例）图2是上吸式固定床气化炉的原理图，生物质从上部加入，气化剂从底部吹入，生成的气体从上部离开气化炉。

气化炉中参加反应的生物质自上而下分为干燥层、热分解层、还原层和氧化层。

从上面加入的湿物料在干燥层同下面反应层生成的热气体进行换热变成干物料落入热分解层，产生的水蒸气排出气化炉。

生物质能源的生物质燃烧和生物质气化生物质能源作为一种可再生能源，近年来越来越受到关注。

其中，生物质燃烧和生物质气化是两种常见的利用生物质能源的方式。

本文将分别介绍生物质燃烧和生物质气化的原理、优点和应用。

一、生物质燃烧1. 原理生物质燃烧是通过将生物质燃料投入到燃烧设备中，通过供氧和点火使其燃烧释放热能。

在燃烧过程中，生物质燃料中的碳、氢、氧等元素与氧气反应，产生二氧化碳、水蒸气和其他气体，同时释放出大量的热能。

2. 优点生物质燃烧具有以下优点：（1）可再生性：生物质燃料来自于植物的生长过程，具有可再生性，不会造成资源枯竭。

（2）减少温室气体排放：生物质燃烧过程中所释放的二氧化碳等温室气体可以被植物吸收，形成循环，减少对全球气候的负面影响。

（3）降低能源成本：生物质燃料相对于石油、天然气等化石燃料来说，成本较低，有助于降低能源消费成本。

3. 应用生物质燃烧广泛应用于以下领域：（1）家庭取暖：生物质燃料可以被用于取暖设备中，为家庭提供温暖和舒适的环境。

（2）发电：通过生物质燃烧发电技术，可以将生物质转化为电能，为电力系统提供可靠的能源。

（3）工业加热：生物质燃烧被广泛应用于工业加热过程中，如锅炉燃烧和工艺热源提供。

二、生物质气化1. 原理生物质气化是将生物质燃料在高温下与氧气和蒸汽等反应，产生合成气（一氧化碳、氢气和甲烷的混合气体）。

其中的气化过程可以通过各种气化设备来实现，如固定床气化炉、流化床气化炉等。

2. 优点生物质气化具有以下优点：（1）高效能利用：生物质气化过程中，几乎所有的碳、氢等可燃成分都能被转化为可用能源。

（2）多产物利用：生物质气化产生的合成气可以用于发电、制热等多种用途，还可以通过合成反应生成液体燃料等高附加值产品。

（3）减少污染物排放：相比于燃烧过程中所产生的排放物，生物质气化过程中污染物的排放量较低。

3. 应用生物质气化技术广泛应用于以下领域：（1）发电：通过合成气的燃烧发电，可以将生物质转化为电能供应电力系统。