1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、研究背景及意义

随着社会和经济的飞速发展，世界对能源的需求越来越广，能源的消耗也与日俱增。目前全球一次能源消费中，石油占32.9%，天然气占23.8%，煤炭占29.2%。而现在化石能源逐渐消耗、不可再生的缺点，以及对环境造成的污染严重影响了人类的可持续发展^[1-2]。化石燃料的燃烧会产生大量甲烷，二氧化碳等温室气体，这些温室气体加快了全球变暖的速度，从而也引发一系列的环境问题。而生物质作为一种可再生能源，为绿色可持续发展提供了可靠路径。生物质是指自然界中所有微生物、动植物以及它们排泄、代谢所产生的有机物质^[3]。生物质（如表1所示）间接或者直接地来源于植物的光合作用，植物将太阳能转化为化学能储存在生物质内部。生物质可以转化为常规的固体、液体和气体燃料，是一种可再生能源，同时也是唯一的一种能够再生的碳源。我国生物多样性丰富, 生物质资源总量约为5.0#215;10⁹t ^[4]，而且生物质资源与煤炭资源相比分布较广^[5]，也较为清洁，使用生物质燃料能够大幅度地降低温室气体的排放；生物质气化反应活性高，灰分含量少，硫氮的含量也较少，而且生物质燃料燃烧后的产生的灰可以直接做为钾肥使用^[6]。所以如何将生物质燃料进行有效的利用是能源领域研究的重点课题。

表1 生物质燃料热值表

二、生物质气化的利用现状

2.1生物质气化的定义

气化是生物质利用的关键技术，也是生物质能回收利用中最有前途的热化学转化途径之一。生物质气化是在一定的热力学条件下，借助于空气（或者氧气）、水蒸气的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原重整反应，最终转化为一氧化碳，二氧化碳，氢气，甲烷等可燃气体的技术^[7]。(见等式1)

Biomass heat→H₂ CO CO₂ CH₄ Hydrocarbon Char (1)

生物质气化的工艺主要包括干燥、热解、氧化和还原。生物质气化和生物质燃烧虽然都是在高温条件下进行，但两者还是有区别的的。生物质燃烧是在氧气充足条件下进行的，生成的是二氧化碳和水；而生物质气化是在氧气不充足的条件下不完全燃烧，是为了减少水和二氧化碳的生成，从而将化学能保存在氢气、一氧化碳等可燃气体中^[8]。

2.2生物质气化的利用现状

我国对生物质气化技术的研究开始于上世纪80年，目前生物质气化技术已经在集中供气、供热、发电方面进行广泛的运用，并且对生物质气化合成液体燃料、制氢气等方面进行了研究。

1.生物质气化集中供气技术

生物质气化集中供气的工程规模一般从几百户到上千户，适用于城市管道及燃气普及不到的农村和小城镇，这样能够推进农村节能减排，生物质气化集中供气是将原料进行粉碎处理，然后将原料送入气化炉进行气化反应；产生的燃气经过降温除尘净化后送入贮气柜中，最后燃气通过输气管网送至用户^[9-10]，生物质气化集中供气系统的工艺流程如图1所示。

图1 生物质气化集中供气系统工艺流程

2.生物质气化发电技术

生物质气化发电技术有以下几种形式：一，将生物质气化产生的燃气，送入燃气炉，产生蒸汽，产生的蒸汽通过汽轮机发电；二，可以将经过净化的燃气直接通入内燃机内，将燃气直接运用于发电^[11]。生物质气化发电与生物质的其他利用方式相比，有以下优点：1.发电技术较为成熟，气化采用固定床气化炉或者流化床气化炉，发电可采用汽轮机或者内燃机；2.对环境的污染较小，能够大量减少二氧化碳和二氧化硫的排放；3.发电的成本较低，易于回收利用^[12-13]。

3.生物质气化集中供热技术

生物质气化集中供热系统由生物质气化气锅炉，连接热源和热用户的管路系统，使用热能的单位这三部分组成。热源产生的蒸汽或者热水通过管路提供给用户。具体流程如图2所示^[14-15]。

图2 生物质气化集中供热流程示意图

1-给料器；2-气化炉；3-输气管道；4-锅炉；5-热水管网；6-用户

4.生物质气化制氢技术

氢气热值高，清洁无污染，是理想的新能源，但是氢能的成本较高，大部分的氢能都来源于不可再生的能源，而生物质是理想的氢能来源^[16]。生物质中的氢元素的占生物质总量的40%以上，生物质为氢的主要载体^[17-18]。生物质气化制氢气常用的气化剂是水蒸气和空气的混合气体。反应方程式（见式2）^[19]。

生物质＋O₂＋H₂O＋热→H₂＋CO＋CO₂＋CH₄＋光和重烃 （2）

生物质气化的制氢流程图如图3所示

图3生物质气化的制氢流程图

5.生物质气化的设备

气化炉是气化装置的主要设备。按照燃料在气化炉内的运动方式，气化炉主要分为

固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉是指原料相对于穿过床层的气流而言,处于静止的状态；流化床气化炉是指燃料在气化炉内受到自下而上鼓入的气化剂的吹动，燃料呈流化状态^[20-21]。

6.生物质气化的影响因素

影响生物质气化的因素有很多。气化介质是影响生物质气化的主要外在因素，目前的气化剂主要有空气，蒸汽，空气-蒸汽，蒸汽-氧气，富氧气等^[22-23]，外在因素还包括反应的类型，反应器的压力温度，生物质的预处理等；生物质气化的内在因素主要为生物质的物料特性，主要包括生物质内的水分，灰分，颗粒内径等。

2.3生物质气化存在问题

生物质虽然利用范围广，清洁污染小，能够将分散的能量集中转化为燃料和电能，但是它也存在一定的缺点：1.生物质原料的能量密度较低，含水量较大，收集运输干燥的成本较高而且不易粉碎应用困难^[24-25]；2.生物资源的供应会受到地理位置和气候环境的影响;3.较低的气化温度会导致焦油含量较高,气化过程的焦油会将管道堵塞，焦油粘附在气化装置上也会造成设备的腐蚀，焦油会导致催化剂失去活性，其生成也会降低生物质气化的效率^[26-27]，催化裂化是减少混合气体中焦油的较为有效的办法，镍基催化剂被认为是最有效的催化剂^[28-29]；4.二次污染也是生物质气化的主要问题，气化和净化的装置需要大量的水作为除尘的介质，含有焦油的水和含有灰尘的气体排除装置对环境会造成二次污染^[30-31]。一般通过水洗的办法除去燃气中的焦油和灰尘，对除焦油的水尽可能的进行循环利用，同时对焦油的清除效率也要有一定的保障。

三、总结

生物质气化可以有效促进生物质的利用与转化，目前生物质气化技术已经广泛地运用于供气，发电，供热，制燃料等方面，目前需要解决的问题是生物质气化的焦油问题和二次污染问题。在化石燃料日益消耗的今天，以及化石燃料对环境造成的污染，生物质作为一种清洁可再生的能源，对我国经济社会的可持续发展有着重要的意义。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

(1) 研究问题：随着石油煤炭天然气的等非可再生能源的日益减少，我们需要研究开发出新能源，生物质清洁环保可再生且数量庞大，能够满足我们对能源的日益增长的需要。所以对生物质进行实验研究，了解生物质气化时的特性。

(2) 实验内容及要求：查阅大量国内外生物质有关生物质气化的文献，尤其是水蒸气气化，对蒸汽工况下，生物质气化性能进行深入研究；熟悉生物质气化中的影响因素，学习并锻炼独立思考能力；根据实验室现有的实验装置进行实验，分析结果。

(3) 研究手段：本课题选用棉秆、豆粕及麦秆作为实验原料，探讨co₂、水蒸汽氛围下，不同工艺条件对气化特性的影响。