生物质气化技术研究进展

关海滨， 张卫杰， 范晓旭， 赵保峰， 孙荣峰， 姜建国， 董红海， 薛旭方

(山东省生物质气化技术重点实验室，山东省科学院能源研究所，山东 济南 250014)

【生物质能源】

生物质气化技术研究进展

关海滨， 张卫杰， 范晓旭， 赵保峰*， 孙荣峰， 姜建国， 董红海， 薛旭方

(山东省生物质气化技术重点实验室，山东省科学院能源研究所，山东 济南 250014)

生物质气化技术是生物质洁净高效利用的重要方法，具有广阔的发展前景。本文综述了近年来国内外生物质气化技术中气化剂气化、热解气化、催化气化、等离子体气化、超临界水气化等方法的研究进展。认为目前生物质气化技术需要重点解决的主要难题是焦油脱除和净化以及高效催化剂的制备，化学法除焦和开发复合型催化剂是解决这些难题的有效方法，生物质气化技术的大规模商业化利用是未来的发展方向。

生物质；气化技术；焦油；催化剂

生物质能作为太阳能转换和积累的主要形态之一，是一种洁净的可再生能源，是唯一的既有矿物燃料属性，又可储存、运输、转换并较少受自然条件制约的能源。生物质能在能量转化中不会产生大量有害的SO2等污染物，CO2几乎实现零排放，在古巴等一些发展中国家的能耗占比甚至高达90%[1]。另据预计，生物质能利用量到2050年将占全球能源消费的50%左右[2]。生物质因其自身含有高达70%左右挥发分的原料特性，非常适合通过气化技术生成尽量多的可燃气加以利用[3]，通过国内外学者的共同努力，生物质气化技术逐渐成为目前生物质能转化利用最高效、最实用的方法之一。本文介绍了生物质气化技术的基本原理，对近年来国内外出现的气化剂气化、热解气化、催化气化、等离子气化、超临界水气化等多种生物质气化技术进行了综述，探讨了生物质气化技术面临的问题，并相应地提出了解决办法，以期为生物质综合利用相关的技术研发与应用推广等工作提供参考。

1 生物质气化技术原理

生物质气化技术的基本原理是在满足温度、压力等反应条件下，生物质原料中的碳水化合物基于一系列热化学反应转化为含有CO、H2、CH4、CmHn等烷烃类碳氢化合物的可燃气，将生物燃料中的化学能转移到可燃气中，转换效率可达70%～90%，是一种高效率的转换方式[1]。

生物质气化工艺过程主要分为燃料干燥、热解、氧化和还原四个阶段。燃料进入气化装置后，在一定温度下，物料受热首先析出水分；之后经初步干燥的物料进一步升温发生热解，析出挥发分；热解产物与气化装置内供入的有限空气或氧气等气化剂进行不完全燃烧反应，得到水蒸气、CO2和CO；最后在生物质残碳的作用下，被还原生成H2和CO，从而完成固体燃料向气体燃料的转变过程。就反应机理而言，生物质气化过程中发生的一系列反应以气-气均相和气-固非均相的化学反应为主，可能有的反应如下[4]。

(1)CnHmOk部分氧化反应：CnHm+n/2O2←→m/2H2+nCO ;

(2)蒸汽重整反应：CnHm+nH2O←→(n+m/2)H2+nCO ;

(3)干重整反应：CnHm+nCO2←→m/2H2+2nCO ;

(4)碳氧化反应：C+O2←→CO2;

(5)碳部分氧化反应：C+1/2O2←→CO ;

(6)水气反应：C+H2O←→CO+H2;

(7)焦炭溶损反应：C+CO2←→2CO ;

(8)加氢气化反应：C+2H2←→CH4;

(9)一氧化碳氧化反应：CO+1/2O2←→CO2;

(10)氢气氧化反应：H2+1/2O2←→H2O ;

(11)水气转化反应：CO+H2O←→CO2+H2;

(12)甲烷化反应：CO+3H2←→CH4+H2O 。

2 生物质气化技术的研究进展

生物质气化技术的分类标准有多种，可以按照是否使用气化剂分类，也可以按照是否使用催化剂进行区分，但是随着气化技术的不断发展，往往两者兼具，比如空气气化工艺中添加了催化剂用以提高燃气热值，水蒸气气化工艺中使用了蒸汽重整催化剂等等。所以本文没有刻意进行严格的深入划分，主要阐述近年来出现的几种气化技术的研究进展。

2.1 气化剂气化

根据所使用气化剂的不同，生物质气化可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化等工艺类型。

2.1.1 空气气化

空气气化以空气作为气化剂，燃料在空气中燃烧，放出大量的热量，被之后的干燥、热解和还原反应所吸收，从而形成自供热的气化系统。空气气化产生的燃气属于低热值燃气，热值一般在5～6 MJ/m3[5]。肖艳京等[6]使用木屑为原料进行了流化床空气气化实验，发现空气物料比(L/kg)大于0.82时，系统可自热进行，并得到热值为7 MJ/m3左右的可燃气。车德勇等[7]运用Aspen Plus 软件对稻壳在固定床反应器中的空气气化过程进行了模拟计算，结果表明，空气当量比与φCO、φH2、φN2等呈正向变化，与CO2和CH4的气体产量呈反向变化，得到的可燃气热值逐渐降低，气化效率也降低。空气气化最大的优点是气源廉价而且随处可得，经济性明显，在燃烧、发电行业应用广泛，但缺点是因空气中含有约78%的N2，导致产物气热值偏低。

2.1.2 氧气气化

氧气气化与空气气化原理类似，区别在于使用纯氧或富氧空气作为气化剂，燃气热值可达10～12 MJ/m3[8]。孟凡彬等[9]使用秸秆成型燃料进行了固定床纯氧气化实验，发现当量比对气化反应温度、碳转化率、气体产率及产出气热值影响明显，且高当量比的纯氧气化路线可行。李斌等[10]模拟了生物质氧气气化制备合成气的工艺过程，计算发现随着氧气当量比的增加，合成气产率呈先增加后减少的趋势，高温低压的反应环境有利于气化反应正向进行，较高温度(800 ℃及以上)和较低压(约为0.1 MPa)、φO2为(90±5)%、气化当量比约0.15的反应条件最适于合成气的制备。同空气气化相比，氧气气化具有更高的反应温度、更快的反应速率，因为没有了N2稀释的影响，还可得到更高热值的燃气，同时氧气气化产生的燃气体积小，减少了显热损失，系统热效率也相应提高[11]。但是制备O2的设备昂贵，需要消耗大量能量，使气化成本大大提高，总经济性较差，在生产燃料气时较少采用，可以用于生产化工合成气的原料。

2.1.3 水蒸气气化

水蒸气气化以过热水蒸气作为气化介质，整个过程以吸热反应为主，包括生物质热解反应、C还原反应，CO和水蒸气变换反应、CH4化反应等。李琳娜等[12]使用木屑为原料在固定床反应器上进行了水蒸气气化实验研究，较高的反应温度及适宜的水蒸汽流量对H2产率与燃气热值影响明显，φH2可达51.03%，燃气低位热值在11～13 MJ/m3范围内变化。肖军等[13]通过麦秸水蒸气气化实验发现反应压力对H2影响不如水蒸气的活化作用显著，水蒸气是比较适宜制取富氢气体的气化介质。应浩等[14]发现木屑在高温下进行水蒸气气化的反应活性很高，碳转化率明显提高，最高可达99.47%，φH2/φCO在1.0～2.3之间变化，可作为优良的合成氨、费托合成原料气体。水蒸气气化产生的燃气质量好，H2含量高，属于中热值燃气，可用于生产燃料气及化工合成气，典型的水蒸气气化产物成分为：φH220%～26%，φCO28%～42%，φCO223%～16%，φCH420%～10%[15]。但是，水蒸气气化工艺需要增加蒸汽发生器和过热设备生产蒸汽，进一步提高了系统复杂性和运行成本，降低了系统独立性。

2.1.4 空气(氧气)-水蒸气气化

空气(氧气)-水蒸气气化是空气(氧气)气化与水蒸气气化二者的结合，在实际气化过程中，可以同时使用空气(氧气)和水蒸气作为气化剂，也可以交替使用。空气(氧气)水蒸气气化制得燃气热值通常在10 MJ/m3以上[8]，一般用作制备合成气的原料气。Baker等[16]使用上吸式固定床对干、湿木片进行了氧气-水蒸气气化对比实验，发现燃气品质主要取决于氧气、水蒸气流量，而受木屑湿度大小的影响不明显。Gil等[17]在中试规模的流化床装置上进行了氧气-水蒸气气化实验研究，考察了不同反应条件下的气化效果，获得燃气热值达16 MJ/m3，燃气产率为每千克原料产气1.2 m3。赵先国等[18]进行了生物质流化床富氧-水蒸气气化制取富氢燃气的实验研究，发现高温有利于增加产氢率，反应温度从700 ℃升高到900 ℃的过程中，产氢率从18 g/kg增加到了53 g/kg。苏德仁等[19]使用木屑为原料在小型流化床上进行了氧气-水蒸气气化实验，考察了当量比、氧气/水蒸气配比、反应温度、二次风风量及进风位置等因素对气化效果的影响。空气(氧气)-水蒸气气化兼具空气(氧气)气化和水蒸气气化的优点，总体经济性优势明显。首先，系统所需热量可实现自给自足，无需额外增加热源，降低了设备成本投资；其次，气化所需的部分氧化在反应过程中可从水蒸气获取，减少了外部气源的投入。然而，系统复杂性因增加了氧气、水蒸气的制备设备而提高，不利于简单高效运行。

2.1.5 氢气气化

氢气气化是以在高温高压条件下氧气与碳生成甲烷为主反应的气化技术，所得可燃气体热值较高，可达22.3～26 MJ/m3。氢气气化以氢气作为气化介质，但是反应条件苛刻，只进行了一些研究，鲜有报道，并未在工程中使用[20]。

2.2 热解气化

生物质热解气化是指在隔绝或者仅提供有限空气且较高温度的反应条件下，生物质中大分子的有机物质受热分解成CO、CH4、H2、C2H2等小分子挥发性气体，进而得到生物质炭、焦油、可燃气体等产物的工艺过程。按照升温速率的不同，生物质热解气化工艺可分为慢速(0.01～2 ℃/s)热解或称为干馏碳化、常速(<10 ℃/s)热解、快速(100～1 000 ℃/s)热解3种。快速热解中升温速率特别高的工艺又称为闪速(>1 000 ℃/s)热解。慢速热解一般用于直取木炭或进一步制成活性炭，常速热解得到热解气、焦油和炭3种产物，快速热解的主要产物是热解油或称为生物油，其工艺要点是极快速地加热和气相产物极快速地冷却。通过这种瞬间的反应将质量分数60%～70%的生物质转化为生物油[1]。根据热解温度的不同，生物质热解气化可分为低温热解、中温热解、高温热解，其中低温热解反应温度区间500～700 ℃，热解产物主要是焦油，中温热解在700～1 000 ℃的范围内进行，主要用于生产中热值燃气，高温热解的反应区间为1 000～1 200 ℃，主要用于生产高强度的冶金焦[21]。

国内外学者在生物质热解气化中的焦油裂解、调节燃气组成、提高燃气热值等方面进行了大量的研究工作。Seshadri 等[22]利用小型石英固定床反应器进行了生物质热解气化实验，考察了反应温度、压力、载气等因素对气化效果的影响，发现较高温度及高压的反应环境有利于焦油的裂解，得到的燃气品质较高，主要以C6以下的轻质烷烃为主。郭飞强等[23]使用玉米秸杆为原料在下吸式生物质固定床气化炉上进行了热态实验，通过改变配气的位置、速度、方向等条件实现了对燃气中焦油含量及燃气品质的调节，结果表明，主动配气可以控制气化炉内的反应，促进焦油热裂解生成可燃气体，总配气量595 m3/h时，燃气中焦油含量为600 mg/m3，热值达5 400 kJ/m3。Zou等[24]进行了松木屑气化实验研究，发现除了高床层、较高的反应温度之外，所采取的外部循环逆流移动床式气化炉结构也十分有助于降低燃气中焦油含量，提高气化效率。生物质热解气化的突出优点是产生的燃气热值较高，可达15 MJ/m3左右，缺点是燃气产出率低，而且燃气中焦油含量偏高，提高了后续燃气净化处理的技术难度。

2.3 催化气化

催化气化是指为了降低产物气中焦油含量、调节燃气品质而在生物质气化的过程中或在下游催化反应器内使用催化剂，进而提高生物质利用效率的气化技术。相比常规气化工艺，使用催化剂后生物质转换效率可提高10%左右[25]。

生物质催化气化的研究始于上世纪80年代中叶，常见的催化剂主要有天然矿石类、碱金属类、Ni基类、贵金属类等等。天然矿石类催化剂催化效率高且成本较低，主要有石灰石、白云石、橄榄石等，主要成分是CaO和MgO。Mun等[26]进行了以铁路枕木为原料制备高热值洁净燃气的气化实验，结果表明，在两段式气化炉内使用白云石与煤基活性炭掺混的床料效果最佳，焦油去除率达到了91. 9%，燃气低位热值可达7 MJ/m3。孙云娟等[27]在生物质原料中掺混白云石催化剂，发现主要气体产量均在700 ℃出现一次最大值，整个反应焦油的转化率提高了4.52%。Zhao 等[28]利用CaO进行了生物质热解制备燃气实验，发现燃气中φCO2约为4.5%左右，而φCH4达到26%，且反应系统能够自热平衡。Xue等[29]在实验中发现，随着玉米秸秆中CaO添加量的增多，产物中焦油含量减少，气体组分中的φCO、φH2、φCH4均增大，φCO2急剧降低，气体热值大幅升高。

碱金属催化剂包括碱金属、碱土金属氧化物和碱金属碳酸盐(如Ka2CO3、Na2CO3等)。此类催化剂催化机理主要是水蒸气对焦油的的重整反应，对甲烷的重整性能比较差，并且催化活性需要足够的停留时间。闵凡飞等[30]研究了K2CO3、Na2CO3等碱金属碳酸盐对小麦秸秆和玉米秸秆热解气化效果的影响，发现K2CO3、Na2CO3能够抑制CO的产生，促进φH2的提高，而且随着催化剂用量的增加，φH2也呈现相同的增加趋势，当催化剂用量为20%时，φH2可达51%以上。Jordan 等[31]使用下吸式气化炉考察了CaO颗粒对甘蔗渣气化特性的影响，发现在床料中的wCaO对燃气焦油含量影响明显，实验结果表明，wCaO为6%时焦油去除率为最高，达80%，相应地产气量增加了37%。Taralas等[32]建立了生物质焦油裂解的动力学模型，并针对模拟计算结果分别使用CaO和MgO进行了焦油裂解实验对比，结果表明CaO和MgO均具有较好的催化性能，焦油去除效率分别为96%和97%。

Ni基催化剂可有效促进焦油裂解和CH4重整，生成更多的H2、CO和CO2，还可通过水气转化反应有效调整产物中φH2/φCO，是目前国内外研究最多的一类催化剂[33]。该类催化剂价格较高，且易失活，比较适用于低焦油的环境。Caballero等[34]将Ni基催化剂用于鼓泡床生物质气化工艺中进行燃气净化与提质，结果发现催化效果显著，粗燃气中焦油含量少于2 g/m3，燃气热值增加了1 700 kJ/m3，每千克原料产气率增加了0.4 m3，系统热效率提高了20%。Liu等[35-36]在稻壳气化过程中使用Ni基催化剂进行焦油裂解的实验研究，发现相比坡缕石，以针铁矿石为载体的Ni基催化剂活性更佳，焦油转化率及产气量均得到提高，焦油转化率高达94.6%，每克焦油可产气体量分别为H2486.9 mL、CO 167.8 mL、CH422.2 mL。王铁军等[37]使用微型固定床进行了松木粉催化气化的实验研究，发现以白云石为载体的Ni基催化剂经高温煅烧后，具备较好的催化活性及抗失活性能，焦油裂解率为95%，燃气中φH2可达78.3%。

近年来，国内外出现了复合型催化剂的研究报道，比如将Ca基催化剂和Ni基催化剂结合，产生了更好的催化效果。Kumagai等[38]采用共沉淀法制备Ni-Mg-Al-Ca催化剂，研究发现Ca含量的增加使得气化产氢量大大提升，同时增强了催化剂整体抗积碳能力，引入Ni、Mg增强了CaO的稳定性，可以有效防止积碳产生。李斌等[39]制备了以CaO为吸收剂、NiO为活性组分的复合催化剂，并进行了玉米秸秆热解气化制氢的实验研究，结果表明，在600～700 ℃范围内，添加NiO，可大幅提高产气中的H2浓度和产率，在NiO负载量wNiO为10%时，产气中φH2可达63.7%，而H2产率对比添加CaO时则增加接近1倍，达到了341.3 mL/g。

贵金属类催化剂通常具有非常好的催化性能，可使气化产物具有极低的焦油含量，但受限于昂贵的稀有金属价格，目前实验室研究居多，难以推广应用。分子筛类催化剂目前未见大规模应用，仍处于实验室开发阶段，主要集中在调配不同wSi/wAl，添加Ni、MgO等其他不同的金属及活性助剂，改变反应温度、反应空速等反应条件等研究方向，用以提高生物质气化过程中焦油转化率，调节燃气品质。

2.4 等离子体气化

等离子体气化是采用等离子火炬或弧将原料加热至高温但不燃烧的状态下，使大分子的有机物分解成小分子可燃气体的工艺过程，如H2、CO、CH4、CO2等。等离子气化技术可加热至3 000～5 000 ℃的高温，最高甚至能够达10 000 ℃以上，可用于对生物质、生活垃圾、工业或医疗行业的危险废物等固体废弃物的处理[40]。Kim等[41]采用螺旋式气化装置考察了木屑等离子体气化特性，发现随着蒸汽量、等离子发生器输入功率的增加，焦油裂解率、燃气中H2含量随之升高，而随着木屑进料量的增加产气量升高了，但焦油裂解率却减少了。赵增立等[42]进行了氮气等离子体热解杉木粉实验研究，结果发现，热解产物以固体残焦和可燃气为主，没有焦油形成，引入水蒸气，提高了H2和CO2产量，CO产量减少了，φH2和φCO的总量保持在95%左右。吴昂山等[43]搭建了等离子体射流水平床气化装置，进行了不同进料速率下纤维素等离子气化实验研究，发现产物主要为H2、CO和少量低碳烃类，进料速率为0.11 g/s时，燃气中φH2与φCO总和达95%，产气率为每克原料1.37 L。Balgaranova[44]利用蒸汽等离子体处理w有机物、w无机物分别为60%和40%的城市污泥，得到了以CO和H2为主的气体产物，其中φCO2少于4%，没有CH4，但含有少量H2S。

相对于常规的生物质热解气化技术，等离子体气化因其较高的反应温度，使得反应物料更具活性，原料分解更加彻底，从而得到高热值、高洁净度的气化产物，即H2、CO等可燃成分含量高，CO2和焦油含量低。等离子体气化技术具有较强的原料适应性，可处理高湿度、高惰性的原料，比如生活垃圾、废旧轮胎、城市污泥等；对原料尺寸、结构几乎没有要求，极少需要预处理；系统运行安全可靠，环保优势明显，温室气体排放量少，且不会产生二噁英[45]。但是等离子体技术因为反应温度问题，对反应器材质、使用寿命要求十分苛刻，而且用电成本投资较大。此外，反应动力学、反应器的设计等诸多难题尚需解决。

2.5 超临界水气化

超临界水气化是指利用超临界水可溶解多数有机物和气体，而且密度高、粘性低、运输能力强的特性，将生物质高效气化，制备可燃气的气化技术。超临界水指处于临界压力和临界温度(压力为22.12 MPa，温度为374.12 ℃)以上时的水 ，是一种具有强扩散和传输能力的均质非极性溶剂[46]。超临界水可应用于轻质原油催化裂化、废旧轮胎制油、废旧塑料降解、生物质气化、液化等多种原料的转化利用，其中生物质气化的主要工艺过程包含高温分解、异构化、脱水、裂化、浓缩、水解、蒸汽重整、甲烷化、水气转化等反应过程，生成以H2、CH4为主的可燃性气体[47]。超临界水气化技术最初由Modell等[48]在20世纪80年代中期发现，超临界水可高效转化有机废物，将其分解成CO2，H2O和N2。闫秋会等[49]进行了生物质超临界水气化的实验研究，考察了反应温度、压力等因素对气化产物的影响，发现适宜的温度压力分别为450～550 ℃、25 MPa左右，气化主要产物是H2、CO2和CH4。徐雪松[50]进行了超临界水处理油性污泥的热态实验研究，发现在420 ℃、24 MPa、pH=10，ρ(COD)为1 000 mg/L的反应初始条件下，对油性污泥COD的去除率高达95%。

超临界水气化技术因其能够将原料及氧气形成均相系统，具有非常高的处理效率；对无机成分溶解度低，减少了后续分离成本；而且对环境友好，几乎没有NOx、SO2和二噁英等有害物质的排放，避免了二次污染。但是超临界反应需要高温高压的反应条件，造成系统能耗较高；反应中存在高浓度的溶解氧，极易腐蚀设备表面，对设备材质要求苛刻；无机盐类的沉积易堵塞管道，存在安全隐患。目前生物质超临界水转化技术还处于实验室研究阶段，技术本身还存在提升空间，值得深入研究[51-52]。

3 面临问题与未来发展方向

3.1 焦油问题

焦油问题是影响生物质气化技术大规模推广应用的难题之一。由于生物质本身的原料特性，焦油成为生物质转化利用的必然产物，其低温下呈液态，易堵塞管路、腐蚀设备、污染仪器；燃烧时产生炭黑等颗粒，既为后续除尘带来麻烦，又能损害燃气轮机等燃气利用设备。焦油问题的存在严重影响了气化系统的稳定运行，限制了燃气利用的发展。

现有的焦油处理方法主要分为物理法和化学法两种，物理法是通过降温冷凝将焦油从燃气中分离，然后利用各种除尘装置进行收集去除，这使得焦油中所含的能量被浪费，大大降低了生物质能量利用效率，还存在再次产生污染的风险。化学法指通过化学手段将焦油转化为小分子的可燃气体，如H2、CO、CO2以及CH4等低碳烃类。化学法主要包括高温热解和催化裂解两种途径，高温热解是指焦油在1 000 ℃温度以上深度裂化；催化裂解即焦油在各种催化剂的作用下进行裂解。目前，化学法被认为是解决焦油问题最高效、最经济的技术方法。

3.2 二次污染问题

二次污染主要是指为了处理生物质气化工艺所产生的焦油和灰尘而对环境造成的再次污染问题。为取得合格的生物质燃气，现有的多数工艺采用水洗的方法减少燃气中焦油和灰尘的含量，造成了大量水资源的浪费，污水的任意排放也带来了水、土壤等环境污染。

为此，对于水污染，可以参照污水处理规范，将除尘、除焦后的水进行无害化处理，使排放的废水符合环保标准，并尽可能地循环再利用，提高水资源利用率，减少浪费。对于灰污染，除了在气化炉内进行大量煅烧以提高气化效率以外，还可以采用高规格的干式除尘、静电除尘等方法对灰尘进行收集，加以综合利用，减少对空排放。

3.3 催化剂问题

生物质催化气化是近年来的研究热点之一，出现了种类繁多的各式催化剂，各自的研发也取得了不同程度的进展，但仍存在着大量问题，比如价格昂贵、易失活、易积碳、抗烧结性差等，与大规模商业化应用尚有差距。

因此，催化剂问题成为制约生物质催化气化技术发展的关键。开发具有高活性、高选择性、高稳定性的催化剂是未来的发展方向。近年来出现的复合型催化剂通过合理搭配将多种催化剂的优点集于一身，在抗失活、抗积炭、活性组分抗迁移、抗烧结等方面优势明显，为解决催化剂问题提供了思路。

3.4 反应器问题

生物质气化反应器主要分为固定床和流化床两种，国内外进行了大量相关的研发工作，但有些问题还是尚待解决。上吸式固定床反应器所产燃气焦油含量较高，下吸式固定床反应器内原料易架桥和结渣；流化床反应器中鼓泡床燃气中的焦油、灰含量偏高，且灰中含碳量较高，循环流化床存在腐蚀和磨损问题。

除了针对各反应器存在的缺点继续开展相关的研究工作，开发更加先进的反应器以外，在现有研究水平的基础上，为了最大限度地提高生物质能的利用率，将反应器的问题降到最低，可以采用因地制宜的原则，根据生物质原料特性、催化剂性质、生产规模等合理选择反应器形式，比如在大规模利用条件下首选循环流化床反应器最为可靠，小规模利用应选用下吸式固定床反应器，而中等规模利用条件下鼓泡流化床反应器最合适。

4 结语

生物质气化技术将生物质原料转化成高品质可燃气，提高了生物质能利用效率，为生物质能的进一步利用和深加工提供了巨大的便利。经过多年的研究和发展，生物质气化技术取得了长足的进步，但是关键技术的研究还需进一步提高和完善，今后应加强生物质气化各反应体系耦合机理、焦油裂解原理、催化剂功能发挥机制、气化产物定向性调控等方面的理论研究。

在全球日趋紧迫的能源形势下，生物质能作为仅次于三大化石能源的可再生能源，在能源结构系统中的地位越来越重要。生物质气化作为生物质清洁高效利用的关键技术之一，在国内外存在着广阔的发展空间，未来将大规模应用于供热、供气、发电、制氢、合成液体燃料等多个行业领域，将为能源可持续发展发挥更加重要的作用。

[1]孙立，张晓东. 生物质热解气化原理与技术[M]. 北京：化学工业出版社，2013.

[2]SCARLAT N, DALLEMAND J F, MONFORTI-FERRARIO F, et al. The role of biomass and bioenergy in a future bioeconomy: Policies and facts[J]. Environmental Development, 2015, 15: 3-34.

[3]李新禹, 苏文. 生物质能用于热电冷三联供系统的可行性[J]. 能源工程, 2005(4): 14-16.

[4]FABRY F, REHMET C, ROHANI V, et al. Waste gasification by thermal plasma: A review[J]. Waste & Biomass Valorization, 2013, 4(3): 421-439.

[5]孙立, 张晓东. 生物质发电产业化技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2011.

[6]肖艳京, 马隆龙．生物质在流化床中的气化实验[J]. 节能, 1999 (10): 7-9.

[7]车德勇, 李少华, 杨文广，等．稻壳在固定床中空气气化的数值模拟[J]. 太阳能学报, 2013, 34(1): 100-104．

[8]朱锡锋. 生物质热解原理与技术[M]. 合肥: 中国科技大学出版社, 2006.

[9]孟凡彬, 王贵路, 李晓伟，等. 高当量比生物质氧气气化试验研究[J]. 太阳能学报, 2013, 34(3): 377-381．

[10]李斌, 陈汉平, 杨海平，等．基于Aspen Plus 平台的生物质氧气气化制备合成气的模拟研究[J]. 燃烧科学与技术, 2011, 17(5): 432-436.

[11]FISHER E M, DUPONT C, DARVELL L I, et al. Combustion and gasification characteristics of chars from raw and torrefied biomass[J]. Bioresource Technology, 2012, 119: 157-165.

[12]李琳娜, 应浩, 涂军令，等. 木屑高温水蒸气气化制备富氢燃气的特性研究[J]. 林产化学与工业, 2011, 31(5): 18-24.

[13]肖军, 沈来宏, 邓霞，等. 秸秆类生物质加压气化特性研究[J]. 中国电机工程学报, 2009, 29(5): 103-108.

[14]应浩, 涂军令, 江俊飞，等. 木屑高温水蒸气气化制备合成气研究[J]. 太阳能学报, 2014, 35(3): 379-383.

[15]张建安, 刘德华. 生物质能源利用技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009.

[16]BAKER G, MUDGE L K, MITCHELL D H. Oxygen/steam gasification of wood in a fixed-bed gasifier[J]. Industrial and Engineering Chemistry Process Design and Development, 1984, 23(4): 725-728.

[17]GIL J, AZNAR M P, CABALLERO M A.et al. Biomass gasification in fluidized bed at pilot scale with steam-oxygen mixtures product distribution for very different operating conditions[J]. Energy and Fuels, 1997, 11(6): 1109-1118.

[18]赵先国, 常杰, 吕鹏梅, 等. 生物质富氧-水蒸气气化制氢特性研究[J]. 太阳能学报, 2006, 27(7): 677-681.

[19]苏德仁, 刘华财, 周肇秋, 等. 生物质流化床氧气-水蒸气气化实验研究[J]. 燃料化学学报, 2012, 40(3): 309-314.

[20]寇公. 煤炭气化工程[M]. 北京: 机械工业出版社, 1992.

[21]马承荣, 肖波, 杨家宽, 等. 生物质热解影响因素研究[J]. 环境技术, 2005, 23(5): 10-12.

[22]SESHADRI K S, SHAMSI A. Effects of temperature, pressure and carrier gas on the cracking of coal tar over a char dolomite mixture and calcined dolomite fixed bed reactor[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research, 1998, 37 (10): 3830-3837.

[23]郭飞强, 董玉平, 董磊,等. 主动配气下生物质气化焦油热裂解特性试验[J]. 农业机械学报, 2011, 42(7): 135-138.

[24]ZOU W J, SONG C C, XU S P, et al. Biomass gasification in an external circulating countercurrent moving bed gasifier[J]. Fuel, 2013, 112: 635-640.

[25]SUTTON D,KELLEHER B, ROSS J R H. Review of literature on catalysts for biomass gasification[J]. Fuel Processing Technology, 2001, 73(3): 155-173.

[26]MUN T Y,KIM J W,KIM J S. Air gasification of railroad wood ties treated with creosote: Effects of additives and their combination on the removal of tar in a two-stage gasifier[J]. Fuel, 2012, 102: 326-332.

[27]孙云娟, 蒋剑春. 生物质热解气化行为的研究[J]. 林产化学与工业, 2007, 27(3): 15-20.

[28]ZHAO B F, ZHANG X D, CHEN L, et al. High quality fuel gas from biomass pyrolysis with calcium oxide[J]. Bioresource Technology, 2014, 156: 78-83.

[29]XUE A J, PAN J H, TIAN M C, et al. Experimental study on catalytic pyrolysis of biomass pellet[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013,291/292/293/294: 320-323.

[30]闵凡飞, 张明旭, 陈清如, 等. 新鲜生物质催化热解气化制富氢燃料气的试验研究[J]. 煤炭学报, 2006,31(5): 649-653.

[31]JORDAN C A,AKAY G. Effect of CaO on tar production and dew point depression during gasification of fuel cane bagasse in a novel downdraft gasifier[J]. Fuel Processing Technology, 2013, 106: 654-660.

[32]TARALAS G, KONTOMINAS M G. Kinetic modeling of VOC catalytic steam pyrolysis for tar abatement phenomena in gasification/pyrolysis technologies[J]. Fuel, 2004, 83(9): 1235-1245.

[33]SUTTON D, KELLEHER B, ROSS J R H. Catalytic conditioning of organic volatile products by peat pyrolysis[J]. Biomass&Bioenergy, 2002, 23(3): 209-216.

[34]CABALLERO M A, AZNAR M P, GIL J, et al. Commercial steam reforming catalysts to improve biomass gasification with steam-oxygen mixture.1. Hot gas upgrading by the catalytic reactor [J]. Industrial and Engineering Chemistry Research, 1997, 36(12): 5227-5239.

[35]LIU H B，CHEN T H, CHANG D Y, et al. Effect of preparation method of palygorskite-supported Fe and Ni catalysts on catalytic cracking of biomass tar[J]. Chemical Engineering Journal, 2012, 188: 108-112.

[36]LIU H B, CHEN T H, CHANG D Y, et al. Catalytic cracking of tars derived from rice hull gasification over goethite and palygorskite[J]. Applied Clay Science, 2012, 70:51-57.

[37]王铁军, 常杰, 吴创之,等. 生物质气化焦油催化裂解特性[J]. 太阳能学报, 2003, 24(3): 376-379.

[38]KUMAGAI S,ALVAREZ J, BLANCO P H, et al. Novel Ni-Mg-Al-Ca catalyst for enhanced hydrogen production for the pyrolysis-gasification of a biomass plastic mixture[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2015, 113: 15-21.

[39]李斌, 韩旭, 陈义龙,等. 钙基催化吸收剂对玉米秸秆热解气化制氢特性的影响[J]. 农业机械学报, 2016,47(8): 216-220.

[40]DU C M, MO J M, LI H X. Renewable hydrogen production by alcohols reforming using plasma and plasma-Catalytic technologies: challenges and opportunities[J]. Chemical Reviews, 2015, 115(3): 1503-1542.

[41]KIM S C, LIM M S, CHUN Y N. Hydrogen-rich gas production from a biomass pyrolysis by using a plasmatron[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(34): 14458-14466.

[42]赵增立, 李海滨, 吴创之,等. 生物质等离子体气化研究[J]. 太阳能学报, 2005, 26(4): 468-472.

[43]吴昂山, 聂勇, 孙艳朋,等. 纤维素在等离子体射流水平床内热解气化特性[J]. 化学工程, 2010, 12: 80-84.

[44]BALGARANOVA J. Plasma chemical gasification of sewage sludge[J]. Waste Management & Research, 2003, 21(1): 38-41.

[45]黄耕. 等离子气化技术在固体废物处理中的应用[J]. 中国环保产业, 2010(6): 43-45.

[46]GUO Y, WANG S Z, XU D H, et al. Review of catalytic supercritical water gasification for hydrogen production from biomass[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(1): 334-343.

[47]HUANG H J, YUAN X Z．Recent progress in the direct liquefaction of typical biomass[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2015, 49: 59-80.

[48]MODELL M. Processing methods for the oxidation of organics in supercritical water: US, 4338199 [P]. 1982-07-06.

[49]闫秋会, 郭烈锦, 吕友军. 生物质/煤超临界水气化制氢的主要影响因素[J]. 西安交通大学学报, 2008, 42(3): 368-371.

[50]徐雪松. 超临界水氧化处理油性污泥工艺参数优化的研究[D]. 石河子: 石河子大学, 2016.

[51]邵瑞华, 司全印, 房平. 超临界水氧化法处理固体废物的研究进展[J]. 化工环保, 2008, 28(2): 122-126.

[52]项阳阳, 周劲松, 吴何来. 超临界流体在生物质转化技术中的应用[J]. 化工进展, 2012, 31(s1): 30-35.

Research progress of biomass gasification technology

GUAN Hai-bin, ZHANG Wei-jie, FAN Xiao-xu, ZHAO Bao-feng*, SUN Rong-feng, JIANG Jian-guo, DONG Hong-hai, XUE Xu-fang

(Shandong Provincial Key Laboratory of Biomass Gasification Technology, Energy Research Institute，Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

∶As one of the important methods of clean and efficient exploitation of biomass, the biomass gasification technology has a broad development prospects. The domestic and abroad advances of biomass gasification technologies in recent years, such as gasifying agent gasification，pyrolysis gasification, catalytic gasification, plasma gasification, ultra supercritical water gasification, etc. were reviewed in the paper. Tar removal and purification, and the preparation of efficient catalysts are regarded as the two biggest obstacles to the biomass gasification, and the removal of tar by chemical method and the development of compound catalysts are suitable solutions to these problems. Finally, the large-scale commercial utilization in certain industries is forecasted to be the main development trend of the biomass gasification.

∶ biomass; gasification technology; tar; catalysts

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.04.010

2017-03-31

国家科技支撑计划(2014BAC26B02，2014BAC26B03)；山东省自然科学基金(ZR2015EM012，ZR2015YL001)；山东省科学院自然科学基金(科基合字2015第6号)

关海滨(1981—)，男，助理研究员，研究方向为生物质能技术。E-mail: guanhb@sderi.cn

*通信作者，赵保峰(1976—)，男，副研究员，研究方向为生物质能。E-mail: zhaobf@sderi.cn

TK6

A

1002-4026(2017)04-0058-09