生物质气化技术的再认识

第37卷第1期南京林业大学学报(自然科学版)Vol 37. No. 12013年1月Journal of Nanjing Forestry University( Natural Science Edition)Jan.,2013生物质气化技术的再认识张齐生,马中青,周建斌(南京林业大学竹材工程研究中心,江苏南京210037)摘要:近现代,生物技术在工业、农业和能源领域得到广泛应用,对世界科技和经济发展起到重大的变革和促进作用。由于化石燃料资源性枯竭问题和环境污染问题,寻找一种清洁、可再生的替代燃料和燃料生产技术已迫在眉睫。生物质气化技术作为一种清洁的可再生能源利用技术得到了快速发展,然而由于气化设备自身不够成熟以及未对气化副产物(生物质炭和生物质提取液)加以有效利用等问题,严重阻碍了生物质气化技术的商业化推广和运行。生物质气化多联产技术是指基于生物质下吸式固定床气化的气、固、液三相产品多联产及其产品分相回收、利用技术。该技术的提出,以及相关核心设备的开发成功与应用,为生物质气化技术的进一步发展提供了新的思路。笔者详细介绍了气化技术发展的历史和困境、生物质气化多联产技术的路线和核心设备以及多联产技术产品的开发和应用情况。关键词:生物质;气化;多联产;下吸式固定床;生物质炭;生物质提取液中图分类号:X74文献标志码:A文章编号:1000-2006(2013)01-0001-10History, challenge and solution of biomass gasification: a reviewZHANG Qisheng, MA Zhongqing, ZHOU JianbinBamboo Engineering Research Center, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, ChinaAbstract: Recently, as the widely application of biotechnology in the industry, agriculture and energy, it has been playing a great role in technology reform and economy growth. And currently, due to the problems of rapid depletion of fossil fuel and environmental pollution, people are looking for a renewable and green fuel and fuel processing technologyat can partially replace the fossil fuel. Biomass gasification technology, regarding as a renewable and sustainable bieenergy conversion technology, has been developing rapidly. However, for the immature gasification system and ineffective recycling utilization of gasification byproducts( bio-char and bio-extract ), it hinders the commercialization and oper-ation of gasification technology seriously. Biomass gasification poly-generation technology is defined as the compreheutilization of gas( producer gas), solid( bio-char)and liquid( bio-extract) products from biomass downdraft fixed bedgasification system. The presentation of poly-generation methodology and the successful application of the associated e-quipment provide a new guideline for the further development of biomass gasification technology. This paper describesthe history, challenge and solution of biomass gasification technologyKey words: biomass; gasification; poly-generation; downdraft fixed bed gasifier; bio-char; bio-extract生物技术特别是转基因、克隆酶工程等技术,质,主要包括种植、养殖、林业、农业产品加工和生已经深入到了工业、农业、矿业、化工医药、食品、能活等有机废弃物,以及利用边际性土地种植的能源源和环境保护各个领域对世界科技和经济发展起植物生产的纤维资源、油脂或其他次生代谢产物到重大的变革和促进作用;由于化石燃料资源性枯等。据估计,中国理论生物质能资源约50亿t,具竭问题和环境污染问题,人们寄希望于可再生、清有品种多、分散性强、能量密度低收集成本高等特洁的生物质加工转化成可替代化石燃料的生物燃点。因此,对生物质进行能源开发宜采用分散式、料和化学产品-21分布式、中小规模化开发方式,将其就地、就近利生物质是指可再生和循环利用的生物有机物用。经过10多年的研究,生物质能源转化技术的收稿日期:2012-12-05修回日期:2012-12-20基金项目:国家重点基础研究发展计划(2010cB7205;“+二五”国家科技支撑计丿rV凵中国煤化工村领城国家科技计划(20|BAD15B05-04);国家林业公益性行业科研专项项目(201第一作者:张齐生,教授,中国工程院院士。E-mail:zhangs@nfu.com.cnCNMHG引文格式:张齐生,马中青周建斌.生物质气化技术的再认识「.南京林业大学学报:自然科学版,2013,37(1):1-10南京林业大学学报(自然科学版)第37卷研究和应用,主要包括生物质物理、化学和生物转经水洗净化处理后转变成大量的提取液,循环喷淋化技术,已取得了突破性进展,特别是大规模的生后浓度逐渐增加;固定床气化炉气化的炭得率为物质直燃发电技术和生物质乙醇技术的逐渐成熟,20%~30%,流化床的炭得率为5%-15%。气化加上生命科学的飞速发展,人们已经看到了这种绿副产物若不加以资源化利用,不仅降低了生物质利色能源替代化石能源的潜力和希望3-7用效率,而且还会造成严重的环境污染。1生物质气化技术发展历史和困境(2)气化设备技术不够成熟。固定床气化技术针对的是中小规模应用,主要存在的问题有:①1.1生物质气化技术历史机械化、自动化程度较低,如开心式的稻壳气化炉生物质气化技术是以生物质为原料,以氧气容易架桥烧结运行时需要耗费大量人力在炉顶操(空气、富氧性气体或纯氧等)、水蒸气或氢气等为作,威胁到操作人员安全;②焦油含量高,上吸式固气化剂在高温条件下通过热化学反应将生物质转定床所产燃气中含有大量的焦油,对燃气净化系统化为可燃性气体的过程。生物质气化过程中还会造成巨大负担,去除不净造成管路、阀门堵塞,内燃产生生物质炭、生物质提取液(活性有机物、焦油)机需频繁维护;③规模小,目前固定床单台产能等副产物。气化技术可将低品位的固体生物质转般都集中在200-50kW,不易放大规模,规模效化成高品位的可燃气体,从而广泛应用于工农业生益不佳;④发电效率低,气化发电所用的内燃机一产的各个领域如集中供气供热发电、费托合成般都由低转速的柴油发电机改装而成电转化效率甲醇和乙醇等第2代生物燃料只有30%,固定床气化发电效率为10%~15%。早在1798年,煤气化技术就已经在法国和英流化床气化技术针对的是中等及以上规模应国出现。1812年,煤气化产生的燃气曾经作为伦用,问题是:其一,若未采用BGC技术高温的粗敦市照明的主要燃料。直到1840年,法国的燃气和发电机尾气的余热未加以利用,热效率低,Bischoff才开发出一种小型的商业化生物质气化发电机组功率小,发电效率低;其二,若采用BCC炉;1861年, Siemens在 Bischoff的基础上进行了改技术进行规模化开发应用,那么整个气化系统将非进。二次世界大战后,由于中东地区大规模廉价优常复杂,对系统的各个部分都有严格要求,需要开质石油的开发,几乎所有发达国家的主要能源都转发高气化效率和低焦油含量可燃气的气化炉,配备为石油,生物质气化技术长时间处于停滞状态。直能满足燃气轮机的高效燃气净化系统,开发适用低热值燃气的燃气机;其三,发电效率低,流化床气化到1973年世界能源危机的爆发,使西方国家认识发电效率也只有15%-25%,BCCC技术发电效到化石能源的不可再生性和分布的不均匀性,可再生能源的研究逐渐成为热点,生物质气化技术作为率也只能达到35%。(3)经济效益不佳。目前看来,气化发电的经种重要的新能源技术重新引起全世界的关注和重视"12济效益还不是很高,主要原因是:气化产品单一,只产出电产品,而未开发以生物质炭和生物质提取液1.2生物质气化技术发展困境为原料的相关产品;气化发电整体的电效率不高;生物质气化技术根据气化炉的不同主要分为规模还不是很大,单位发电成本较高,规模效益体固定床气化技术和流化床气化技术。固定床气化现不出来。炉优点是装置的结构简单、坚固耐用、运行方便可从20世纪80年代起,我国的气化技术迅速发靠缺点是内部过程难于控制,易架桥,生产强度展全国各地已经兴建或正在兴建的生物质气化发小。流化床气化炉优点是传热传质均匀,气化反应电厂数不胜数,由于受技术、资金、环境及安全等问速度快碳转化率高易放大设计缺点是可燃气中题的困扰能够长期稳定运行的不多。结合上述分灰分含量高,设备结构复杂,原料尺寸需要细小均析可知,生物质气化技术目前正处于商业化和产业近些年虽然生物质气化技术在全世界各地引化的最艰难时期,相关科研和从业人员都在寻找适起研究和应用热潮,但是大部分的气化发电或供热合中国国情的生物质气化发展新思路,致力于研究项目在开始运行不久后便难以为继,究其原因,新工艺,开发新产品。主要分为以下几点(1)气化副产物未加以资源化利用。气化过2.基于生/口广中国蝶化多联产程还会产生大量的副产物生物质炭和生物质提取技术的提片CNMHG液。可燃气中焦油一般占燃气能量的5%~10%,笔者所在研究团队经过近10a在生物质固定第1期张齐生,等:生物质气化技术的再认识床气化发电(或供热)、木(或竹)炭、木(或竹)活会产出生物质炭。生物质燃气可用于内燃机发电性有机物和活性炭等方面的研究和应用,提出了或替代煤向锅炉供热;生物质炭根据生物质原料的“基于生物质固定床气化的多联产技术”。区别于特性可分别制成速燃炭或烧烤炭,也用于冶金行业生物质气化热电联产(CHP)和生物质整体气化联的保温材料,或可制成炭基肥料缓释剂、土壤改良合循环发电技术(BGCC)等多联产技术,在此将剂修复剂等用于农业还可制成高附加值的活性基于生物质固定床气化的多联产技术”定义为基炭产品;生物质提取液中的有机组分可加工成叶面于生物质固定床气化的气、固、液三相产品多联产肥等作物生长调节剂,也可制成抑菌杀菌剂,焦油技术,即将生物质可燃气生物质炭生物质提取液可经精炼提取成苯、甲苯、二甲苯(BTX)及其他用(活性有机物和焦油)三相产品分别加工开发成多途的化学品,或升级转化为清洁生物液体燃料。种产品3-151。多联产工艺的核心设备为下吸式固基于生物质固定床气化多联产技术是一条生定床气化发电或供热设备。生物质固定床气化多物质综合、高效、洁净利用的先进技术路线,是综合联产工艺路线见图1,生物质气化发电工艺流程见解决生物质气化技术面临困境的重要途径和关键图技术,主要表现为(1)多联产可以生产多种产品并提高生物质内燃机(发电的利用效率,多联产在发电的同时,还可以大规模的生产炭基缓释肥、活性炭、叶面肥、BX等高附混合物字品加值产品,拓展其在农业和化工业上的应用,有效扩展了生物质的利用范围。→气化活性]加(2)多联产对因水洗产生的生物质提取液和生物质炭等副产物进行资源化利用能有效杜绝气想生额加业用化过程的环境污染,满足未来社会对环保更严格的肥料缓释剂[嚷改良修复剂要求。活性3)多联产还有利于提高系统可靠性和可用率,如果其中一种产品被社会淘汰或者经济效益并图1生物质气化多联产工艺路线不显著,可以开展另外一种新兴产品的应用,提高Fig. 1 Process flow chart of biomass gasification生物质气化技术的生命力polygeneration4)通过利用多台1MW的气化炉并联集中发电机尾气余热回收利用供气发电,扩大固定床气化发电规模,对发电机尾风送气余热进行回收利用,提高生物质利用效率,降低单位发电成本,提高生物质规模效益。电3生物质下吸式固定床气化系统设备3.1生物质下吸式固定床气化炉发电机生物质固定床气化炉主要分为上吸式、下吸式气化炉和横吸式气化炉。下吸式固定床气化炉因浪筒于燥生物质炭生物质提取液其燃气中焦油含量低(50~500mg/m2)的优点特别适合于内燃机发电,是目前固定床气化炉中的研图2生物质固定床气化发电工艺流程究热点6-2。下吸式固定床气化过程从上至下Fig2 Process flow chart of power generation using主要分为4个反应区:干燥区、热解区、氧化区和还biomass fixed bed gasification原区(图3)6.2-21。下吸式气化炉性能主要根据可燃气的成分热生物质固定床气化发电和供热设备,主要由固值和产量,可燃气中焦油含量,气化炉的产能、碳转定床气化炉、燃气净化系统、内燃机或燃气锅炉组化率和冷气刘山中国煤化工主要受当量成。生物质气化产生的燃气经净化系统气液分离比、表观速度CNMHG水率、形态后分为生物质燃气和生物质提取液,气化炉下体还(粒径))、气化剂种类等因素的影响。以空气为气4南京林业大学学报(自然科学版)第37卷干燥区:20-200℃,原料中自由水和和少量微量元素(碱金属等),必须经过净化处理下数剩广生可知集在峡氧的条件才能进入发电机发电。固体杂质的去除比较简单,结合水的蒸发热解区:20060干燥区一般采用干式和湿式这两种物理法去除。干式除氧化区:8120℃,生物质炭与气化灰主要设备有旋风分离器颗粒层过滤器、袋式除气化剂氧化区尘器等。湿式除灰是利用液体(一般为水)作为捕气化剂集体将气体中杂质捕集下来,主要设备有鼓泡塔、还原区还原区:800-1000℃+HO→·C0+H喷淋塔、填料塔、文丘管洗涤器等。液体杂质,特别储炭室可燃气C+C0→·2C0是焦油组分的去除比较复杂,这是气化技术的一大CO+H→→CO+H0难点。焦油去除方法主要有机械/物理法、热裂解法和催化裂解法。虽然热裂解法和催化裂解法实图3下吸式固定床气化炉气化原理图验研究效果显著,但是离工业化应用还有很大差Fig 3 Schematic diagram of downdraft fixed bed gasifier距,主要原因:催化剂易钝化,价格昂贵,难以回收化剂,通过对木材3-、榛子壳1-、甘蔗利用;设备技术不成熟,成本投资太大等。因此目渣{31橄榄果渣{31、畜禽粪便5、稻壳、城市下前应用最广泛的是机械/物理除灰/焦法3.3生物质燃气发电机水道污泥等生物质进行气化研究表明,下吸式固定床气化炉的主要性能如下:当量比0.2~0.5下吸式固定床气化发电所用发电机一般采用往复活塞式内燃机(RCEs)中的柴油机,其具有热含水率≤25%,可燃气主要成分中,含CO15效率高、启动性能好、耐久性好维护周期长的优20%、H215%~20%、CH40.5%~2%、CO210%点。 RICEs对生物质燃气质量要求是固体杂质含15%,热值4~6(MJ/Nm3),冷气效率55%~809量少于50mg/Nm3,焦油含量少于100mgNm3碳转化率75%~95%,电转化率10%~15%。传统的 RICEs一般都是以热值较高的天然气、柴笔者研究团队开发的稻壳和木片下吸式固定油和汽油为燃料,而下吸式固定床气化炉产出的生床气化炉,为了克服固定床的缺点,进行如下改进物质燃气的热值一般只有4~6MJ/Nm3,其中含氢(1)提高设备的机械自动化水平:进料和出炭气量、氮气量分别为15%~20%、40%~50%(体采用风送系统,集中供料和收炭;气化炉顶部采用积分数),而且可能还含有少量未净化完全的焦拨料器自动拨料,炉内采用炉排结构,通过液压驱油。因此为了适应成分特殊、热值更低的生物质燃动升降往复,避免了炉内架桥和烧穿现象,无需人气燃料, RICEs必须经过适当的改进才能适用于燃工通炉。(2)降低焦油含量:采用二步进气方法,提高气发电,主要包括机械部件和燃烧工艺的改进,改炉内反应温度,使炉内有两个高温氧化区,使可燃进型柴油机的电转化效率只有30%左右6.40目前适用于生物质燃气发电的改进型柴油机气经过二次裂解,不仅降低可燃气焦油含量,还提般都在200~500kW,山东淄博淄柴新能源有限高燃气热值。(3)便于放大设计:气化炉采用直筒形公司与笔者研究团队合作已成功开发出1MW的( Stratified),而非喉式( Imbert)气化炉,便于扩大燃气柴油机,使之与1MW下吸式固定床气化炉配规模设计。采用此种结构目前已经成功开发出1套使用。MW的木片和稻壳气化炉。4生物质固定床气化多联产产品研(4)延长使用寿命:气化炉下炉体和炉排采究和应用分析用水夹套结构,既能冷却不在反应区炭的温度生物质原料经过固定床气化后转化成生物质又能降低炉体这几个部位的温度,延长炉体使用可燃气、生物质炭、生物质提取液(活性有机物和寿命。焦油)三相产品,其中生物质燃气的应用已经相对3.2生物质燃气净化系统比较成熟,对生物质炭和提取液的应用报道较少。生物质气化炉中产生的可燃气为气液混合物,生物质原料经过固定床气化后转化成生物质三相不能直接加以利用,其中含有大量杂质,主要是固产品见图4,圉中国煤化工目实例见图体杂质(灰焦炭、颗粒)液体杂质(焦油、水蒸气)5,生物质提取CNMHG第1期张齐生,等:生物质气化技术的再认识图4生物质气化产生的气、固、液产品Fig 4 Gas-solid-liquid products from biomass gasification江苏丹阳200kW木片发电浙江建德500kW木片发电安徽颍上500kW稻壳发电江苏常州2000kW稻壳供热图5固定床生物质气化发电项目实例Fig 5 Few power generation projects of fixed bed gasifiers空白对照组100倍稀释提取液200倍稀释提取液苹果喷洒提取液着色对比左侧喷施、右侧未喷施提取液空白对照组400倍稀释提取液喷施提取液对水稻的影响提取液对黄瓜根结线虫中国煤化工图6提取液在农业上的应用CNMHGFig.6 The application of bio-extract in6南京林业大学学报(自然科学版)第37卷4.1生物质可燃气的应用(发电和供热)分析始商业化运行。世界范围内有文献记载的商业化的生物质下笔者认为,通过开发出1MW的固定床气化炉吸式固定床气化发电(或供热)项目情况,在发达及配套的1MW燃气发电机,然后多台并联的1国家或者发展中国家都有分布,基本上属于小规模MW气化炉通过储气罐供气给多台并联的1MW的应用(≤3MW)(表1)2,41-42。燃气用于供热的发电机即可实现下吸式固定床气化发电技术的时,需要在锅炉前加装特殊燃烧器。南京林业大学中等及以上规模化生产,产生的电可并网使用。通经过多年的研究成功开发出以稻壳和木片为原料过并网模式可以实现固定床气化发电的规模化发的500~1000kW的下吸式固定床气化发电(或供展,再通过回收发电机尾气(400~500℃)的热能,热)设备,其中在安徽颍上和江苏常州的项目已经用于干燥原料,进一步提高生物质热效率,是一种成功连续运行超过2年,技术已经成熟,另外还有有潜力的可再生能源利用方式。几个项目正在建设和调试中,2年之内也将全部开表1文献记载的生物质下吸式固定床气化炉的商业化应用项目Table 1 Recorded commercially available downdraft fixed bed gasifiers in the world应用地原料产能/kW生产商(技术支持单位)美国木材1000CLEW美国木片,玉米棒Stwalley Engg丹麦木材加工剩余物Hollesen Engg新西兰木块,木法国木材,农业剩余物100~600Martezo英国木片,榛子壳Newcastle Univ of Tech英国农业加工剩余物300瑞土木材,农业生物质50~2500DASAG瑞士木材25-4000HTV Energy印度木片,稻壳印度木材,玉米棒,稻壳Ankur Scientific Energy Technology南非木块,木片30-500SystBM Johansson gas producers荷兰稻壳KARA Energy Systems中国北京锯末Huairou Wood equipment中国山东农作物秸秆300中国湖南农作物秸秆Dalian Integrated Gas Supply System中国江苏镇江木片南京林业大学中国黑龙江500②南京林业大学中国安徽额上稻壳南京林业大学中国浙江杭州木片南京林业大学中国江苏常州稻壳2000南京林业大学中国广西南宁南京林业大学(正在调试)中国浙江嘉兴木片5000南京林业大学(正在建设)中国湖南稻壳500南京林业大学(正在建设)中国山东威海果树枝条I000南京林业大学(正在建设)注:*产能单位为kgz/h;①燃气用于供热的产能:②燃气用于发电的产能4.2生物质炭的应用分析作物秸秆炭、木炭和稻壳炭等。表2列出3种气化4.2.1生物质炭的组成炭的元素和工业分析,文献[13]中分析了几种炭生物质炭(Bio-char)是指由富含碳的生物质的微量元素含量、比表面积、孔容和孔径分布。总通过裂解或者不完全燃烧生成的一种富炭产物。体上说,固定床气化产件的生物质岩还目备一定的生物质经过下吸式固定床气化后,产炭率为15%燃烧热,富含植中国煤化工等营25%。生物质炭根据其原料的不同,可分为农养元素,具备较CNMHG北1第1期张齐生等:生物质气化技术的再认识表2几种下吸式固定床气化生物质炭的元素及工业分析Table 2 Element analysis and industrial analysis of some biochar from downdraft fixed bed工业分析 industrial analysis元素分析/% element analysis生物质炭c(挥发分)/c(固定碳)/c(灰分)/高位热值(kJ·kgCHhigh heating value81.60..80.122.1稻草炭21.7221541.58.40.40.0762.34.2.2农业用——有机复合肥料和土壤修复剂型炭和速燃炭,可替代煤广泛用于工业生产和民用生物质炭主要由碳元素组成,并富含植物生长生活,如工业锅炉、供暖、餐饮、烧烤等。生物质成所必需的营养元素及发达的孔隙结构,pH为8~10,型炭燃料具有形状规则、较高的堆积密度与强度因此其在农业上应用的前景广阔。其主要作用有:易燃、无烟、无污染、灰分少、热值高等优点。速燃(1)碱性的生物质炭可以改良酸性土壤;(2)生物炭制作时还需要添加一定量的引燃剂,包括各类易质炭发达的孔隙可以增强土壤的通气性和保水能燃的无机材料,碳酸钠、硝酸钠、硝酸钾、硝酸锶、氯力,同时也为微生物提供了生存和繁殖的场所;生物化钠以及以一定质量比例混合的氢氧化铝和氯化质炭的孔隙可以影响作物对分子的吸附和转移;钠确保制成的速燃炭满足“一点即燃”3)生物质炭的多孔结构使表层土壤空隙度增加,4.2.4工业用——活性炭/冶金保温材料密度减小,这种结构有利于植物根系的生长,从而促气化产生的木炭具有较高的固定碳,较低的灰进作物地上部分的生长,提高作物的产量;(4)生物分,非常适合制成活性炭产品,提高生物质炭的附质炭可以吸附和保持水分,并且可以增强土壤水分加值,已有人对其可行性进行了研究““。稻壳的渗透性;(5)生物炭在土壤中有极强的抗徵生物炭和稻草炭等虽然灰分含量较高,但是其Si含量和化学分解的能力,这使得它可以在土壤中存储较也非常高,因此也可考虑用其制活性炭同时提取长的时间同时缓慢释放营养供植物吸收;(6)生物SiO2。稻壳炭目前主要还是用于冶金行业的保温质炭的多孔结构和表面丰富的含氧官能团使得生物材料,将其覆盖在钢水、铁水上进行保温,可大大提质炭具有较强的吸附有毒物质的能力,可以用来修高成品率。复污染土壤;(7)生物质炭具有积聚能量的性能,能4.3生物质提取液(活性有机物和焦油)的应用适当提供土壤温度(1~3℃)。分析基于生物质炭的以上功能,开展农作物秸秆炭4.3.1生物质提取液成分(稻草炭、麦秸炭、玉米秸炭等)在农业上的应用,生物质燃气经水洗和冷凝后会产生大量提取制成炭基复合肥料和土壤修复剂,使之“取之于液,提取液循环喷淋后浓度会逐渐增加。提取液的田,用之于田”,对促进农业低碳、循环、可持续发主要成分可分为两大类:一类为水溶性的活性有机展具有重要意义。沈阳农业大学以农作物秸秆炭物,主要成分为有机酸、酚类醛类、酮类、酯类等有为原料制成炭基缓释肥料,在大田试验中表现出明机物;另一类为易溶于有机溶剂的焦油,主要成分显的增产和提高品质效果,同时减少养分的淋溶损为芳香族化合物,大部分的焦油(分子质量较大)失和化学肥料的面源污染,维持了土壤的可持续生都会沉淀在提取液循环池底部,少量的焦油(分子产能力,目前正处于市场开发和推广阶段““。质量较小)会漂浮于提取液表面南京林业大学也利用生物质炭开发出有机肥料,基目前关于生物质气化产生的活性有机物和焦质等产品用于农业生产。现在,炭基复合肥料等产油的具体组分的数据非常有限,而关于生物质热解品都处于工业化推广阶段,需通过大规模推广应用产生的醋液的成分的定量和定性分析非常详细,两来验证生物质炭还田的各种性能与效果种工艺同属生物质热化学转化,只是温度和工艺有4.2.3民用——成型炭燃料定的差异。由文献[50]可知几种生物质热解醋根据表2可以看出生物质炭还有一定的燃烧液的主要成分中国煤化工类等,密度热值,特别是木炭热值达到近31768kJ/kg,甚至为1~1.1gCNMH(棕色,并且超过标煤的热值(29260kJ/kg),因此将其制成成具有浓烟焦味。通过GC/MS分析了热解产生的竹南京林业大学学报(自然科学版)第37卷焦油的化学组分,含93种化合物,主要分为脂肪族解制生物油的研究非常多,很多研究者将其作为可化合物和芳香族化合物。脂肪族化合物的相对含替代柴油汽油的可再生绿色燃料进行开发和应量为7.31%,主要为环戊烯酮和有机酸衍生物;芳用。快速裂解生物油由于黏度高腐蚀性强、热不香族化合物的相对含量为75.24%,主要为烷基苯稳定、易老化和低热值等缺点,难以直接作为燃料酚烷基苯、杂环类及其取代物S使用。目前有几种方法对其进行品质升级,有物理4.3.2生物质活性有机物提取液的应用方法和催化升级等方法。物理方法:通过添加极性日本韩国等国家对竹醋液的研究较为深入,溶剂(如甲醇),可改善生物油的黏度和均匀性,提已广泛应用于工农业和环境保护领域。经过江苏高热值;或者添加表面活性剂后与柴油进行混合乳省疾病预防中心的细胞毒性试验遗传毒性试验和化,经过物理法升级的生物油可替代柴油、汽油等经口急慢毒性试验证实活性有机物在农业生产上供发电机发电或供锅炉燃烧。催化升级:通过催化使用安全。大量研究表明,活性有机物具有以下功加氢和催化裂解等方法,主要是去除生物油中的氧能2-y]:(1)促进农作物种子发芽、生根、生长;元素提高生物油的热值。(2)提高水果的产量和糖度,改善鲜果口感和外观气化焦油和快速裂解产生的焦油(生物油)的品质;(3)具有抑菌、杀菌和驱避害虫能力;(4)防热值相差不大(表3),只是气化焦油中水分、碳元治土壤中根结线虫病。素和灰分含量更高,因此气化焦油与快速热解生物鉴于活性有机物的以上功效,可制成植物生长油一样具备制成高品质生物油的潜力。调节剂(叶面肥)和抑菌、杀菌剂。笔者所在团队表3快速热解和气化产生焦油的组分和热值在宁夏、江西、江苏、山东等省市对几种水果开展叶Table 3 Chemical composition and heating value ofbio-oil (tar)from fast pyrolysis and gasification面肥的田间试验发现,提取液能增加西红柿的座果化学组成/%率,改善苹果的着色、口感和产量;与山东新港生物高位热值原料含水率/%mical composition (M.kg "科技有限公司合作开发的叶面肥经2年多的推广moistureC 0 N灰分 high heatin应用,证明不仅具有肥效,又具有抑虫防病的功能,能提高农产品的品质,在农民中反响很好,推广应气化焦油507661154.11.516.8用前景广阔。另外,研究了提取液对线虫病的防治快速热解油25566380.10.11效果,使用400倍稀释的提取液对盆栽黄瓜土壤进目前,生物质气化的焦油还难以进行工业化应行浇灌与空白对照组对比后发现,土壤pH下降用。原因是与煤焦油相比,各地气化工厂产生的焦15.81%,病株率下降5454%,病情指数下降油太分散,且产量也不是很大,最好隔一段时间收59.51%,证明其对防治线虫病有良好的效果。此集清理一次,如果不能高附加值利用,为防止造成项技术的成功推广应用将有效减少农药用量,缓解环境污染,可直接与原料混合后进气化炉再次气有害生物的抗药性减轻农药对环境的毒性压力,化,或者与木炭混合制成成型炭棒供锅炉燃烧。促进我国无公害、绿色及有机农业的发展。提取液在农业上的应用效果见图6。5结语4.3.3生物质焦油的应用综上所述,生物质气化技术的困境主要是技术(1)特殊化学品。目前生物质气化焦油的产不够成熟,气化副产物未加以资源化利用,规模效品开发还很少,然而煤焦油相关产品开发却已非常益不突出。生物质气化多联产技术的提出为生物成熟。全世界每年需要消耗37×10t芳烃类化质气化技术走出困境指明了新思路将彻底解决气学品,其中有1/6只能从煤焦油提取出来,例如化技术目前存在的问题。生物质气化技术虽然是15%-25%的BTX(苯、甲苯和二甲苯)和95%的项传统的技术,但是在原有技术的基础上,深入多环芳烃只能来自于煤焦油。为了得到高附加值研究它的发生、发展和调控规律,克服它固有的某的化学品,根据焦油成分沸点的不同焦油需要通些缺陷,并赋予它更多的新活力。对生物质气化技过蒸馏进行粗分,然后再使用其他的技术进行提纯术的认识和应用,将会在我国和世界的生物质资源分离成各种化学品。煤焦油的高附加值提纯利用,化利用领域中发挥它应有的献。可为生物质气化大规模发展产生的生物质焦油的中国煤化工应用提供思路。参考文献( RefereCNMHG(2)可再生燃油(Bio-oil)。目前对于快速裂1]石元春生物质能源主导论一为编制国家“十二五”规划建第1期张齐生,等:生物质气化技术的再认识献策[J].能源与节能,2011(1):1-7[18] Bhattacharya S C, Hla S S, Pham H L. A studyon a multiShi Y C. Discusses of taking bioenergy as the dominant ener-hybrid gasifier-engine system[ J]. Biomass and Bioenergy, 2001gy--advice and suggestions for the preparation of the national21:445-460welfth Five-Year"Plan[ J]. Energy and Energy Conservation, [19] Dogru M, Howarth C R, Akay G, et al. Gasification of hazelnut201I(1):1-7shells in a downdraft gasifier[ J ]. Energy, 2002, 27: 415-427[2]石元春决胜生物质[M].北京:中国农业大学出版201 Leung DY C, Yin XL,WuCZ. A review on the development社,201land commercialization of biomass gasification technologies in Ch[3 Wu CZ, Yin X L, Yuan Z H, et al. The development of bioen-na[ J]. Renewable Sustainable Energy Reviews, 2004.8:565ergy technology in China[J]. Energy, 2010,35:4445[4 J Ma L, Wang T, Liu Q, et al. A review of thermal-chemical con- [21] Beebacker AA CM. Biomass gasification in moving beds, a re-version of lignocellulosic biomass in China[ J]. Biotechnologyview of european technologies[ J]. Renewable Energy, 1999,16Advances,2012,30:859-873.1180-1186.[5]石元春中国生物质原料资源[打].中国工程科学,2011,13[22 Prabir Basu.生物质气化和热解:实用设计与理论[M].北(2):16-23京:科学出版社,2011Shi Y C. Chinas resources of biomass feedstock[ J]. Engineer-[23]Lv P, Yuan Z H, Ma L L, et al. Hydrogen-rich gas productioning Sciences,2011,13(2):16-23from biomass air and oxygen/ steam gasification in a downdraft6]马隆龙,吴创之,孙立.生物质气化技术及其应用[M].北gasifier[ J]. Renewable Energy, 2007, 32: 2173-2185京:化学工业出版社,2003[24] Buragohain B, Mahanta P, Moholkar V S. Biomass gasification[7]Kumar A, Jones DD, Hanna M A. Thermochemical biomass gas-for decentralized power generation: The Indian perspective[ J]ification: A review of the current status of the technology [J]Renewable Sustainable Energy Reviews, 2010, 14: 73-92Energies,2000(2):556-581[25] Pathak B S, Patel S R, Bhave A G, et al. Performance evalua[8] Kirkels A F, Verbong G P J. Biomass gasification: Still promis.tion of an agricultural residue-based modular throat-type downing? A 30-year global overview[J]. Renewable Sustainadraft gasifier for thermal application[ J]. Biomass and BioenergyEnergy Reviews, 2011, 15: 471-4812008,32:72-77[9 ] Pereira E G, Silva JN, Oliveira JL, et al. Sustainable energy: [26] Sharma A K. Experimental study on 75 kw(th)downdraft(bio-A review of gasification technologies[ J]. Renewable Sustaable Energy Reviews, 2012, 16: 4753-47621733 gasifier system[ J]. Renewable Energy, 2009, 34: 1726[10] Panwar N L, Kothari R, Tyagi VV. Thermo chemical conversion [27] Sheth PN, Babu B V. Experimental studies on producer gas gen-of biomass-Eco friendly energy routes[ J]. Renewable& Sustaineration from wood waste in a downdraft biomass gasifier[J]able Energy Reviews, 2012, 16: 1801-1816Bioresource Technology, 2009, 100: 3127-3133[11] Kaupp A, Goss JR. State of the art report for small scale( to 50 [28] Sheth P N, Babu B V. Production of hydrogen energy through bi-kw)gas producer-engine systems[R]. Final Report to USDAomass( waste wood )gasification[J]. Intermational Jourmal of HyForest Service. 1981drogen Energy,2010:35:10803-1081012] Reed T B, Das A. Handbook of biomass downdraft gasifier engine [29] Zainal Z A, Rifau A, QuadirG A, et al. Experimental investigaM]. USA: The Biomass Energy Foundationtion of a downdraft biomass gasifier[J]. Biomass and bioenergyPress. 1988.2002,23:283[13]张齐生,周建斌屈水标.农林生物质的高效、无公害、资源化[30]weiL, Pordesimo L O, Haryanto A,etal. Co-gasification of利用[冂].林产工业,2009,36(1):3-8hardwood chips and crude glycerol in a pilot scale downdraft gasi-Zhang Q S, Zhou J B, Qu Y B. High efficiency and pollutionfier[J]. Bioresource Technology, 2011, 102: 6266-6672free resources utilization of agricultural and forest biomass[ J]. [31] Plis P, wilk R K. Theoretical and experimental investigation ofChina Forest Products Industry, 2009, 36(1): 3-8biomass gasification process in a fixed bed gasifier[ J]. Energy[14] Ma Z, Zhang Y, Zhang Q, et al. Design and experimental inves.2011,36:3838-45tigation of a 190 k w biomass fixed bed gasification and polygene- [32] Midilli A, Dogru M, Howarth C R, et al. Hydrogen productionEnergy, 2012,46: 140-142 air stage downdraft approach[J]ation pilot plant usingfrom hazelnut shell by applying air-blown downdraft gasificationtechnique[ J]. Intermational Joumal of Hydrogen Energy, 2001[15]秦恒飞,周建斌,张齐生,等.牛粪固定床气化多联产工艺[冂].农业工程学报,2011,27(6):288-293[33] Olgun H, Ozdogan S, Yinesor G. Results with a bench scaleQin H f, Zhou J B, Zhang Q$, et al. Poly-generation processdowndraft biomass gasifier for agricultural and forestry residuesfor gasification of dairy manure with fixed beds[ J ].Transacations]. Biomass and Bioenergy, 2011, 35:572-580of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27 [34] Akay G, Jordan C A. Gasification of fuel cane bagasse in a down[16]Martinez J D, Mahkamov K, Andrade R V, et al. Syngas pro-particle size on syngas composition and yield[ J]. Energy & Fuduction in downdraft biomass gasifiers and its application usingls,2011,25:2274-2283internal combustion engines[ J]. Renewable Energy, 2012, 38: 1 [35] Vera D, Jurado F, Carpio J. Study of a downdraft gasifier and ex中国煤化工[17]Bhattacharya S C, Siddique A H M, Pham H L, et al. A studycessing Techod gasification for low-tar gas production [J]. Energy, [36] Jain A KCNMH1999,24:285-29.throatless rice husk gasifier[ J]. Biomass and Bioenergy, 200010南京林业大学学报(自然科学版)第37卷18:249-256的分析.生物质化学工程,2009,43(2):34-36[37] Jarungthammachote S, Dutta A. Thermodynamic equilibriumZhou JB, Zhang H L, Zhang Q S, et al. Analysis of active submodel and second law analysis of a downdraft waste gasifier[J]stances of several kinds of straw vinegar[ J]. Biomass CheEnergy,2007,32:1660Engineering, 2009, 43(2)[38]HanJ,KimH. The reduction and control technology of tar during[51]钱华,钟哲科,王衍彬,等.竹焦油化学组成的GC/MS法分析biomass gasification/ pyrolysis: An overview[J]. Renewable门].竹子研究汇刊,2006,25(3):24-27Sustainable Energy Reviews, 2008, 12: 397-416Qian H, Zhong Z K, Wang Y B, et al. Analysis of the chemical39] Anis S, Zainal ZA. Tar reduction in biomass producer gas viaomposition of bamboo tar by GC/MS[J]. Journal of Bamboo Re-mechanical, catalytic and thermal methods: A review[J]. Re-search,2006,25(3):24-27enable& Sustainable Energy Reviews,201l,15:2355-237.[52]鲍滨福马建义张齐生等竹醋液作为植物生长调节剂的[40] Hasler P, Nussbaumer T. Gas cleaning for IC engine applications开发研究:(D田间试验[J浙江农业学报,2006,18(4):268from fixed bed biomass gasification[J]. Biomass and BioenergyBao B F, MaJY, Zhang QS, et al. Bamboo vinegar as potential[41] Beenackers AA C M. Biomass gasification in moving bed, a replant growth regulator in stimulative effect:(I)the field inves-view of european technologies J]. Renewable Energy, 1999gation[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2006, 18(4): 26816:l180-1186[42] Chopra S, Jain A K. A review of fixed bed gasification systems [53]Mu J, Uehara T, Furuno T. Effect of bamboo vinegar on regulafor biomass[ J]. Agricultural Engineering Intermational CIGRtion of germination and radicle growth of seed plants[ J]. JoumalJournal,2007,4(5):1-23of Wood Science, 2003, 49(3): 262-270[43]Marris E. Putting the carbon back: black is the new green[ J]. [54] Mu J, Uehara T, Furuno T. Effect of bamboo vinegar on regulaNature,2006,442(7103):624-626tion of germination and radicle growth of seed plants l; composi-[44]孟军张伟明,陈温福,等.农林废弃物炭化还田技术的发展ion of moso bamboo vinegar at different collection与前景[J.沈阳农业大学学报,2011,42(4):387-392and its effects[J]. Joumal of Wood Science, 2004, 50(5): 470Meng J, Zhang W M, Chen W F, et al. Development and pros.pect of carbonization and returning technology of agro-forestry res[553魏泉源,刘广青魏晓明,等.木醋液作为叶肥施用对芹菜产due[ J]. Joumal of Shenyang Agricultural University, 2011, 42量及品质的影响[J].中国农业大学学报,2009,14(1):89(4):387-392.[45]陈温福张伟明,孟军,等生物炭应用技术研究[]].中国工Wei QY, LiuG Q, Wei X M, et al. Influence of wood vinegar程科学,2011,13(2):83-89as leaves fertilizer on yield and quality of celery[J]. Joumal ofChen W F, Zhang W M, Meng J et al. Researches on biocharChina Agriculture University, 2009, 14(1): 89-92application technology[ J]. Engineering Science, 2011, 13(2)[56]周建斌,叶汉铃,张齐生,等.麦秸秆醋液的成分分析及抑菌性能研究[J].林产化学与工业,2008,28(4):55-58[46]袁金华,徐仁扣生物质炭的性质及其对土壤环境功能影响Zhou B, Ye H L, Zhang QS, et al. Study on components and的研究进展[J.生态环境学报,2011,20(4):779-785anti-microbial function of wheat-stalk vinegar[ J]. Chemistry andYuan J H, Xu R K. Progress of the research on the properties ofIndustry of Forest Produets, 2008, 28(4): 55-58.biochars and their influence on soil environmental functions[J.[57]李维蛟,李强,胡先奇.木醋液的杀线活性及对根结线虫病Ecology and Environmental Sciences, 2011, 20(4 ): 779-785的防治效果研究[J].中国农业科学,2009,42(11):412047]周建斌段红燕,李思思,等.杨木炭胶合成型速燃炭的制备4126与燃烧性能[J.农业工程学报,2010,26(6):257-261Li WJ, LiQ, Hu X Q. Nematicidal activity and control effi-Zhou JB, Duan H Y, LiSS, et al. Preparation and combustionciency of pyroligneous liquor on Meloidogyne spp. [J].Scientiaproperties of inflammable carbon from poplar earbon[J].Trans.Agriculture Sinica, 2009, 42(11): 4120-4126actions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, [58] Li C, Suzuki K. Resources, properties and utilization of tar[J]26(6):257-261Resources, Conservation and Recycling, 2010, 34: 905-915[48]方放周建斌杨继亮.稻壳炭提取SO2及制备活性炭联产9] huphuakrat T, Nipattummakul N, Namioka T,etal. Characte工艺[J].农业工程学报,2012,28(23):184-191ization of tar content in the syngas produced in a downdraft typeFang F, Zhou J B, Yang J L. Poly-generation research on prfixed bed gasification system from dried sewage sludge[ J]. Fuelduction of activated carbon and silica extraction from the rice husk2010,89:2278-2284charcoal[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural [60]Bridgwater A V. Review of fast pyrolysis of biomass and productEngineering,2012,28(23):184-191pgrading[ J3, Biomass and Bioenergy, 2012, 38: 68-94[49]陈健李庭琛颜涌捷,等.生物质裂解残炭制备活性炭[J].[61] Zhang Q, Chang j, Wang T,etal. Review of biomass pyrolysis华东理工大学学报,2005,31(6):821-824oil properties and upgrading research[ J ]. Energy Conversion andChen J, LiT C, Yan Y J, et al. Preparation of activated carbon2007.48:87-92from the residual carbon obtained by fast pyrolysis of biomass [J]Journal of East China University of Science and Technology(責任編辑郑琰燚)2005,31(6):821-82450]周建斌,张合玲,张齐生,等,几种秸秆醋液组分中活性物质中国煤化工CNMHG