《中国秸秆产业化》周建斌、张齐生：生物质气化多联产技术的集成创新与应用

生物质能源被认为是一种潜在的替代化石能源的有效途径：首先，生物质是一种清洁的能源，尽管被作为燃料燃烧时释放二氧化碳，但其在生长过程中吸收环境中的二氧化碳，构成了以绿色植物为纽带的碳循环系统，维持了地球生态中的碳平衡，理论上实现了二氧化碳零排放，从而能从根本上缓解因温室气体排放（主要是CO2）所导致的全球变暖和海平面升高等全球性环境问题。同时生物质含硫和氮的量与煤相比很低，因此作为能源能有效减少化石燃料燃烧产生的SO2、NxOy等污染物的排放；其次，生物质作为碳源可以直接提炼液体燃料或者通过其他技术（物理、生物或化学等）转化成能源和化学品；再次，生物质资源储量丰富可再生、分布广泛以及种类、形态多样。生物质气化是将生物质在高温下与气化剂（空气、富氧性气体等）发生热解、氧化和还原等反应，高效率地转化为气体燃料的过程。因为生物质气化的能源转化率高，转化后易于管道输送而且燃烧效率高。早在1918年瑞典人Axel设计了第一台上吸式木炭气化炉，1924年制造了第一台下吸式木炭气化炉，从而开创了生物质气化的先河。在经历了石油能源热潮时的研究停顿期，各国开始意识到新能源开发的重要性，生物质热解气化技术重新活跃在历史舞台上，尤其在我国改革开放后各地开始兴起生物质气化发电和农村供气，并在相当长的一段时间内成为一种潮流。但遗憾的是国内外能够稳定运营并具有经济效益和环境效应的生物质气化发电（或供气）项目却寥寥无几。

一、生物质气化多联产技术的理念创新与实践

笔者及所在团队经过十多年的长期探索与研究，针对传统生物质气化技术的种种问题，提出了基于“生物质气化多联产技术”的创新发展理念，从研究、应用与发展的角度阐述了传统气化技术的根本问题并提出了解决方法，实现了“生物质气化多联产技术”的先进性、经济性、环保性并使生物质的利用完全符合绿色、循环的可持续发展目标：

（1）气化副产物利用效率和经济效益高。传统的生物质气化过程中除了得到可燃气外还会产生灰渣（占生物质原料的10%~20%）、废水、焦油等。它们的资源化利用难度较大，应用前景不佳。若弃置，不仅降低了生物质气化转化效率而且还会造成一定的环境污染。而生物质气化多联产技术，在产生可燃气的同时，又能得到生物质炭及大量经水洗净化处理后的提取液（循环喷淋后浓度逐渐增加）。其中气相产物（可燃气）用于发电、供气或替代煤烧锅炉；液相产物（生物质提取液）制备液体肥料；固相产物（生物质炭）根据原料的不同可分别制备炭基有机—无机复混肥（秸秆类原料）、高附加值活性炭（果壳类和木片类）以及工业用还原剂或民用燃料。因此生物质气化多联产技术既解决了传统气化技术产品单一的问题，也提升了气化副产物的经济附加值。

（2）环境效应好。传统的生物质气化技术是指生物质完全气化，将生物质中的硫、氮及碳元素全部转化为SO2、NO2和CO2排放到大气中去了。而多联产技术是在生物质气化的同时得到生物质炭（占生物质的15%~30%），生物质中的大部分硫、氮和碳元素保留在生物质炭中，相对于传统气化技术减少了CO2、SO2和NO2等有害气体的排放，从而提高了生物质气化技术的环境效应。

（3）气化技术设备系统完善。由于生物质原料的差异性大，气化设备的适应性差，需要根据不同的生物质原料研制相应的气化设备系统；同时生物质的形状、组成、能流密度、流动性及含水率等差异性因素会对生物质气化设备、工艺以及产物造成严重的影响，甚至导致技术及设备不能正常运行。针对以上问题，团队研发了适合农作物秸秆类的流化床气化多联产炉、果壳类（稻壳、杏壳、桃壳、棕榈壳等）的下吸式气化多联产炉和木质类的上吸式气化多联产炉，在实际使用过程中，可根据不同生物质原料的情况选择相应的气化多联产炉型，应用在生物质气化发电供气工业中，并且解决了生物质气化设备的自动化和安全问题。

（4）课题组在长期的生物质气化发电的研究与产业化实际运行过程中，遇到了燃气发电系统的不少问题（①单机规模偏小，目前只有500千瓦机组的生物质燃气发电机组可用；②燃气发电机噪音大、震动大；③维护、保养频繁，费用高，运行时间短；④由于燃气发电机对燃气质量的要求较高，需要较高的自动化控制水平和燃气轮机制造技术；⑤净化可燃气需要大量的循环水，同时占地面积大；⑥净化过程中还会产生一定的焦油气味和环境污染问题；⑦可燃气净化后的液体包括焦油的收集、利用还存在一定的问题；⑧燃气净化系统、生物质燃气发电机等标准化不足等）。针对以上问题，我们创新性的提出由生物质热燃气—蒸汽联合循环发电系统，采用了热燃气（未经过气液分离）直接烧锅炉的蒸汽轮机发电模式，直接解决了生物质燃气净化和焦油的两大气化技术难题，并有效地解决了生物质气化发电的经济性、规模性（单机可达3兆瓦、6兆瓦、9兆瓦甚至更大）、可靠性、稳定性和标准化等问题。

二、生物质气化多联产技术系统与应用示范

（一）农作物秸秆类流化床气化发电多联产系统

流化床技术最早应用于气固两相反应，由于流化床气化具有良好的传质、传热条件和反应条件，物料能与气化剂完全接触，原料适应性强、气化强度大，适合于大规模气化生物质原料，后来逐渐发展成为生物质气化的主流技术之一。流化床气化炉中的流态化是指固体颗粒在流体介质作用下呈现的流体化现象，也是介于固定床与气力输送床之间的相对稳定状态。固体物料在流化床中表现出类似流体的性质，容易在反应器之间传输，形成了相对均匀的反应条件和很好的燃料适应性。

国电公司的10兆瓦秸秆流化床气化发电项目是国内外首创的生物质气化热燃气烧锅炉带蒸汽轮机发电项目，该项目成功解决了可燃气净化及焦油处理的世界性难题（未气液分离的热燃气直接通入锅炉燃烧带蒸汽轮机发电，不会出现因温差以及气液分离所产生的焦油和生物质提取液）及净化后的废水处理问题。实现了生物质气化发电的规模性（单机达10兆瓦甚至更大）、连续性、可靠性和经济性（以往的国内外生物质流化床气化炉是没有生物质炭的，固体产物是灰渣）。

（二）木片类（椰子壳片）的上吸式固定床气化发电多联产系统

上吸式固定床气化炉的优点：对生物质原料的适应性强，适合大小不均匀、流动性不好一类的木片类原料。研究团队在浙江某公司建设了“生物质燃气供4吨蒸汽锅炉联产炭”项目，集成了自主研发的内滤式燃气净化系统、稳定的进料和干法出炭系统，“内滤式木废料气化供热成套设备”在2015年5月通过国家林业局科技司成果鉴定，鉴定专家组一致认为该项目整体技术处于国际先进水平，内滤式木废料气化供热成套设备的研究思路新颖、有原创性（以往的国内外生物质上吸式气化炉是没有生物质炭的，固体产物是废灰渣）。

基于生物质气化联产炭技术，可以将气化炭与胶黏剂结合制备成型炭。以浙江某生物质燃气供蒸汽锅炉项目所产的气化炭为原料，利用木焦油替代部分价格较高的苯酚合成酚醛树脂作为胶黏剂，制备一定强度、燃烧无烟、无味、燃烧性能接近市场上同类产品的成型燃料。

在浙江建德建设了“400千瓦木片气化发电—木炭联产”项目，以木片为原料，通过气化发电后并网，联产生物质炭，可作为制备优质活性炭的原料。在云南西双版纳，以橡胶木加工废料为原料，建设了“1兆瓦生物质气化发电联产炭、热、肥”项目（图6），通过气化发电联产炭热肥的新方法。

生物质提取液即生物质气化的气液混合物经过水洗和冷凝过程后所形成的液体产物，其主要成分为酸类、醇类、醛类、酮类、酚类等有机物。生物质提取液可精制用于家畜饲养的消毒、杀菌液、除臭剂或用于农药、助剂、促进作物生长的叶面肥。研究团队经过10多年来在全国10多个省市大量试验表明，生物质提取液具有以下功能：①促进农林作物的营养生长，促根壮苗、健壮植株，增加了作物的抗逆、抗旱、抗寒能力；②抑菌、杀菌、忌避害虫；③提高抗病、防病能力，显著减少病虫害的发生；④促进有益微生物和有益菌群的繁殖；⑤改善农林产品的内在质量和外观品质，显著提高农作物的产量和农产品的质量安全性。

宁夏林科所将生物质提取液应用在李子树上，对比考察喷洒与未喷洒提取液的李子果实成长周期、成熟度等相关因素。先后喷洒2次生物质提取液，结果发现果实成熟可提前3～5天，果实增大、外形发亮、无斑点、口味好。经测定，产量可增加约15%，维生素、糖分含量可增加3%～5%。

（三）果壳类（稻壳、杏壳、桃壳、棕榈壳等）下吸式固定床气化发电多联产系统

本研究团队开发的稻壳和果壳（杏壳）下吸式固定床气化多联产炉，针对已有的固定床技术和设备的问题，重点研究和创新如下：①气化炉采用双拨料系统，即顶部自动拨料和炉内自动拨料；以及底部的炉排设计，避免炉内架桥和烧穿现象，无须人工操作，实现了自动化操作。②解决气化系统的安全性问题（减小气化炉腔室体积，增强了气化炉密封性，减少燃气中氧气的含量，采用炉排结构及时排炭）；采用组合式生物质燃气专利净化技术解决了生物质可燃气净化及焦油的问题。

在湖南宁乡建设了湖南某能源科技有限公司稻壳气化发电多联产系统（下吸式固定床气化炉）是“5兆瓦生物质气化发电-6万吨炭基肥料联产”项目（图8），以稻壳为原料，通过气化发电联产炭基肥料的新方法，在并网发电的同时，利用提取液和生物质炭制备高品质的炭基肥料，本工程为世界首创的稻壳气化发电联产炭基肥、供热的工业化项目。其中的气化固体产物—生物炭是稻壳在缺氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物，生物质炭是一种多孔质炭材料，外观黑色，形状主要有粉状和颗粒状。

生物质炭根据其原料的不同，可分为农作物秸秆炭、木炭、稻壳炭、果壳炭等。表1列出本团队长期研究的几种生物质原料气化得到炭的元素和工业分析。

表1几种气化生物质炭的元素及工业分析

Table1 Ultimateanalysis and proximate analysis of some biochar.

生物质炭主要由碳、氢、氧、氮和灰分组成，其中灰分的含量与生物炭的原料来源和种类有直接关系，秸秆类炭具有高灰分的特点（每千克水稻秸秆炭中含钾53克、氮4.3克、磷2.6克，镁3.52克、微量元素铜0.015克、铁0.58克、锌0.11克，比表面积171平方米/克），一般气化秸秆类炭可用于制备炭基肥料。生物炭施入农田，利用自身较强的吸附性把土壤中作物生长所需要的营养元素吸附在它周围，可以防止肥料的流失而达到缓释的效果。本研究团队研制的炭基有机无机复混肥（生物质炭比例为10%～30%，图9），在全国10多个省份委托有关农科院、农业大学、林科院等经过15年来长期的研究与示范。图10至图12为列举的生物质炭作为肥料和培养基等应用时实际所取得的显著成效。其中将生物质炭还田后番薯增产约10%。在马铃薯花期进行调查，施用炭基肥可以促进马铃薯早熟，提前一个物候期。平均株高增加7.8厘米，展幅增加8.8厘米。当生物质炭还田能使水稻增产13%，大米中重金属降低50%以上并具有良好的抗水稻倒伏作用。

表2 生物质炭基肥对水稻和甜瓜生长发育的影响

Table2Biomass carbon basal effects on rice and melon growth and development

项目组在河北承德某活性炭有限公司建设了杏壳气化发电多联产项目，“杏壳气化发电—活性炭—肥—热多联产”项目以杏壳为原料，攻克了原有的活性炭生产需要消耗能源的难题，利用气化炉和发电机余热产生的热水供平泉县的饭店及洗浴中心，解决了当地的小锅炉燃煤状况，实现了清洁能源供给，图13为世界首创的生物质发电联产活性炭、肥、热工业化项目。为其他以木质类（木屑、木片、竹屑、竹片及杏壳等果壳类）作为原料，生产活性炭提供了新技术、新工艺、新思路、新设备，图14为气化炭制备的活性炭。

三、结语

尽管生物质气化（能源）多联产技术的理念已经被国内外广大的研究单位、学者及企业接受，但还需要进行大规模的研究和应用示范，经过长期的研究与产业化实施经验，项目组针对不同的生物质原料采用了不同的技术方案：①以秸秆类为原料的生物质气化采用流化床气化多联产炉方案，建设气、电、炭、肥（炭基复合肥）、热（冷）的联合工厂；②以果壳类（稻壳、杏壳、桃壳、棕榈壳等）为原料的采用下吸式气化多联产炉方案，建设气、电、炭、肥（炭基复合肥或活性炭、工业用炭）、热（冷）的联合工厂；③以木质类（木片、椰壳等不规则形状）为原料的采用上吸式气化多联产炉方案，建设气、电、炭（活性炭、工业用炭或民用烧烤炭）、热（冷）的联合工厂。

经过反复比较论证及研究，项目组开始对原料丰富、具有投资能力的单位建议采用生物质热燃气直接烧锅炉，由锅炉带蒸汽轮机发电。该技术完善了生物质气化技术设备系统，解决了燃气净化和焦油等问题的技术难题，并攻克了传统生物质气化发电技术的规模性、可靠性、稳定性和标准化等问题的束缚。

总之“生物质气化多联产技术”理念突破了传统气化技术的经济性、环保性及可持续发展的瓶颈，提升了生物质气化副产物利用效率、经济效益和环境效应。“生物质气化多联产技术”为生物质利用探索出了一条符合绿色、环保和循环、可持续产业发展的良好路经，生物质能源的发展只有与环境保护（空气、水、土壤及食品安全）相结合才是最根本的出路。

张齐生

中国工程院院士

南京林业大学生物质气（液）化工程研究中心学术带头人

周建斌

南京林业大学生物质气（液）化工程研究中心教授/博导

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