生物質(zhì)氣化技術(shù)的再認(rèn)識

張齊生，馬中青，周建斌

（南京林業(yè)大學(xué)竹材工程研究中心，江蘇南京210037）

　　摘要：近現(xiàn)代，生物技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對世界科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重大的變革和促進(jìn)作用。由于化石燃料資源性枯竭問題和環(huán)境污染問題，尋找一種清潔、可再生的替代燃料和燃料生產(chǎn)技術(shù)已迫在眉睫。

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)作為一種清潔的可再生能源利用技術(shù)得到了快速發(fā)展，然而由于氣化設(shè)備自身不夠成熟以及未對氣化副產(chǎn)物（生物質(zhì)炭和生物質(zhì)提取液）加以有效利用等問題，嚴(yán)重阻礙了生物質(zhì)氣化技術(shù)的商業(yè)化推廣和運(yùn)行。生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是指基于生物質(zhì)下吸式固定床氣化的氣、固、液三相產(chǎn)品多聯(lián)產(chǎn)及其產(chǎn)品分相回收、利用技術(shù)。該技術(shù)的提出，以及相關(guān)核心設(shè)備的開發(fā)成功與應(yīng)用，為生物質(zhì)氣化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路。筆者詳細(xì)介紹了氣化技術(shù)發(fā)展的歷史和困境、生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的路線和核心設(shè)備以及多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用情況。

　　生物技術(shù)特別是轉(zhuǎn)基因、克隆、酶工程等技術(shù)，已經(jīng)深入到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、化工醫(yī)藥、食品、能源和環(huán)境保護(hù)各個領(lǐng)域，對世界科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重大的變革和促進(jìn)作用；由于化石燃料資源性枯竭問題和環(huán)境污染問題，人們寄希望于可再生、清潔的生物質(zhì)加工轉(zhuǎn)化成可替代化石燃料的生物燃料和化學(xué)產(chǎn)品。

　　生物質(zhì)是指可再生和循環(huán)利用的生物有機(jī)物質(zhì)，主要包括種植、養(yǎng)殖、林業(yè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品加工和生活等有機(jī)廢棄物，以及利用邊際性土地種植的能源植物生產(chǎn)的纖維資源、油脂或其他次生代謝產(chǎn)物等。據(jù)估計(jì)，中國理論生物質(zhì)能資源約50億t，具有品種多、分散性強(qiáng)、能量密度低、收集成本高等特點(diǎn)。

　　因此，對生物質(zhì)進(jìn)行能源開發(fā)宜采用分散式、分布式、中小規(guī)?；_發(fā)方式，將其就地、就近利用。經(jīng)過10多年的研究，

　　生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究和應(yīng)用，主要包括生物質(zhì)物理、化學(xué)和生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，已取得了突破性進(jìn)展，特別是大規(guī)模的生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)和生物質(zhì)乙醇技術(shù)的逐漸成熟，加上生命科學(xué)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)看到了這種綠色能源替代化石能源的潛力和希望。

　　1生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展歷史和困境

　　1.1生物質(zhì)氣化技術(shù)歷史

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)是以生物質(zhì)為原料，以氧氣（空氣、富氧性氣體或純氧等）、水蒸氣或氫氣等為氣化劑，在高溫條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的過程。生物質(zhì)氣化過程中還會產(chǎn)生生物質(zhì)炭、生物質(zhì)提取液（活性有機(jī)物、焦油）等副產(chǎn)物。氣化技術(shù)可將低品位的固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成高品位的可燃?xì)怏w，從而廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，如集中供氣、供熱、發(fā)電、費(fèi)托合成甲醇和乙醇等第2代生物燃料。

　　早在1798年，煤氣化技術(shù)就已經(jīng)在法國和英國出現(xiàn)。1812年，煤氣化產(chǎn)生的燃?xì)庠?jīng)作為倫敦市照明的主要燃料。直到1840年，法國的Bischoff才開發(fā)出一種小型的商業(yè)化生物質(zhì)氣化爐；1861年，Siemens在Bischoff的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。二次世界大戰(zhàn)后，由于中東地區(qū)大規(guī)模廉價優(yōu)質(zhì)石油的開發(fā)，幾乎所有發(fā)達(dá)國家的主要能源都轉(zhuǎn)為石油，生物質(zhì)氣化技術(shù)長時間處于停滯狀態(tài)。直到1973年世界能源危機(jī)的爆發(fā)，使西方國家認(rèn)識到化石能源的不可再生性和分布的不均勻性，可再生能源的研究逐漸成為熱點(diǎn)，生物質(zhì)氣化技術(shù)作為一種重要的新能源技術(shù)重新引起全世界的關(guān)注和重視。

　　1.2生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展困境

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)根據(jù)氣化爐的不同主要分為固定床氣化技術(shù)和流化床氣化技術(shù)。固定床氣化爐優(yōu)點(diǎn)是裝置的結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行方便可靠；缺點(diǎn)是內(nèi)部過程難于控制，易架橋，生產(chǎn)強(qiáng)度小。流化床氣化爐優(yōu)點(diǎn)是傳熱傳質(zhì)均勻，氣化反應(yīng)速度快，碳轉(zhuǎn)化率高，易放大設(shè)計(jì)；缺點(diǎn)是可燃?xì)庵谢曳趾扛撸O(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原料尺寸需要細(xì)小均一。近些年，雖然生物質(zhì)氣化技術(shù)在全世界各地引起研究和應(yīng)用熱潮，但是大部分的氣化發(fā)電或供熱項(xiàng)目在開始運(yùn)行不久后便難以為繼，究其原因，主要分為以下幾點(diǎn)：

　?。?）氣化副產(chǎn)物未加以資源化利用。氣化過程還會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物生物質(zhì)炭和生物質(zhì)提取液?？扇?xì)庵薪褂鸵话阏既細(xì)饽芰康?%～10%，經(jīng)水洗凈化處理后轉(zhuǎn)變成大量的提取液，循環(huán)噴淋后濃度逐漸增加；固定床氣化爐氣化的炭得率為20%～30%，流化床的炭得率為5%～15%。氣化副產(chǎn)物若不加以資源化利用，不僅降低了生物質(zhì)利用效率，而且還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

　?。?）氣化設(shè)備技術(shù)不夠成熟。固定床氣化技術(shù)針對的是中小規(guī)模應(yīng)用，主要存在的問題有：①機(jī)械化、自動化程度較低，如開心式的稻殼氣化爐容易架橋燒結(jié)，運(yùn)行時需要耗費(fèi)大量人力在爐頂操作，威脅到操作人員安全；②焦油含量高，上吸式固定床所產(chǎn)燃?xì)庵泻写罅康慕褂?，對燃?xì)鈨艋到y(tǒng)造成巨大負(fù)擔(dān)，去除不凈造成管路、閥門堵塞，內(nèi)燃機(jī)需頻繁維護(hù)；③規(guī)模小，目前固定床單臺產(chǎn)能一般都集中在200～500kW，不易放大規(guī)模，規(guī)模效益不佳；④發(fā)電效率低，氣化發(fā)電所用的內(nèi)燃機(jī)一般都由低轉(zhuǎn)速的柴油發(fā)電機(jī)改裝而成，電轉(zhuǎn)化效率只有30%，固定床氣化發(fā)電效率為10%～15%。

　　流化床氣化技術(shù)針對的是中等及以上規(guī)模應(yīng)用，問題是：其一，若未采用BIGCC技術(shù)，高溫的粗燃?xì)夂桶l(fā)電機(jī)尾氣的余熱未加以利用，熱效率低，發(fā)電機(jī)組功率小，發(fā)電效率低；其二，若采用BIGCC技術(shù)進(jìn)行規(guī)模化開發(fā)應(yīng)用，那么整個氣化系統(tǒng)將非常復(fù)雜，對系統(tǒng)的各個部分都有嚴(yán)格要求，需要開發(fā)高氣化效率和低焦油含量可燃?xì)獾臍饣癄t，配備能滿足燃?xì)廨啓C(jī)的高效燃?xì)鈨艋到y(tǒng)，開發(fā)適用低熱值燃?xì)獾娜細(xì)鈾C(jī)；其三，發(fā)電效率低，流化床氣化發(fā)電效率也只有15%～25%，BIGCC技術(shù)發(fā)電效率也只能達(dá)到35%。

　?。?）經(jīng)濟(jì)效益不佳。目前看來，氣化發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益還不是很高，主要原因是：氣化產(chǎn)品單一，只產(chǎn)出電產(chǎn)品，而未開發(fā)以生物質(zhì)炭和生物質(zhì)提取液為原料的相關(guān)產(chǎn)品；氣化發(fā)電整體的電效率不高；規(guī)模還不是很大，單位發(fā)電成本較高，規(guī)模效益體現(xiàn)不出來。

　　從20世紀(jì)80年代起，我國的氣化技術(shù)迅速發(fā)展，全國各地已經(jīng)興建或正在興建的生物質(zhì)氣化發(fā)電廠數(shù)不勝數(shù)，由于受技術(shù)、資金、環(huán)境及安全等問題的困擾，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行的不多。結(jié)合上述分析可知，生物質(zhì)氣化技術(shù)目前正處于商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的最艱難時期，相關(guān)科研和從業(yè)人員都在尋找適合中國國情的生物質(zhì)氣化發(fā)展新思路，致力于研究新工藝，開發(fā)新產(chǎn)品。

　　2基于生物質(zhì)固定床氣化的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的提出

　　筆者所在研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近10a在生物質(zhì)固定床氣化發(fā)電（或供熱）、木（或竹）炭、木（或竹）活性有機(jī)物和活性炭等方面的研究和應(yīng)用，提出了“基于生物質(zhì)固定床氣化的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)”。區(qū)別于生物質(zhì)氣化熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）和生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)（BIGCC）等多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，在此將“基于生物質(zhì)固定床氣化的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)”定義為基于生物質(zhì)固定床氣化的氣、固、液三相產(chǎn)品多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，即將生物質(zhì)可燃?xì)?、生物質(zhì)炭、生物質(zhì)提取液（活性有機(jī)物和焦油）三相產(chǎn)品分別加工開發(fā)成多種產(chǎn)品。多聯(lián)產(chǎn)工藝的核心設(shè)備為下吸式固定床氣化發(fā)電或供熱設(shè)備。生物質(zhì)固定床氣化多聯(lián)產(chǎn)工藝路線見圖1，生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝流程見圖2。

　　生物質(zhì)固定床氣化發(fā)電和供熱設(shè)備，主要由固定床氣化爐、燃?xì)鈨艋到y(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)忮仩t組成。生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)凈化系統(tǒng)氣液分離后分為生物質(zhì)燃?xì)夂蜕镔|(zhì)提取液，氣化爐下體還會產(chǎn)出生物質(zhì)炭。生物質(zhì)燃?xì)饪捎糜趦?nèi)燃機(jī)發(fā)電或替代煤向鍋爐供熱；生物質(zhì)炭根據(jù)生物質(zhì)原料的特性可分別制成速燃炭或燒烤炭，也用于冶金行業(yè)的保溫材料，或可制成炭基肥料、緩釋劑、土壤改良劑、修復(fù)劑等用于農(nóng)業(yè)，還可制成高附加值的活性炭產(chǎn)品；生物質(zhì)提取液中的有機(jī)組分可加工成葉面肥等作物生長調(diào)節(jié)劑，也可制成抑菌殺菌劑，焦油可經(jīng)精煉提取成苯、甲苯、二甲苯（BTX）及其他用途的化學(xué)品，或升級轉(zhuǎn)化為清潔生物液體燃料。

　　基于生物質(zhì)固定床氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是一條生物質(zhì)綜合、高效、潔凈利用的先進(jìn)技術(shù)路線，是綜合解決生物質(zhì)氣化技術(shù)面臨困境的重要途徑和關(guān)鍵技術(shù)，主要表現(xiàn)為：

　?。?）多聯(lián)產(chǎn)可以生產(chǎn)多種產(chǎn)品并提高生物質(zhì)的利用效率，多聯(lián)產(chǎn)在發(fā)電的同時，還可以大規(guī)模的生產(chǎn)炭基緩釋肥、活性炭、葉面肥、BTX等高附加值產(chǎn)品，拓展其在農(nóng)業(yè)和化工業(yè)上的應(yīng)用，有效擴(kuò)展了生物質(zhì)的利用范圍。

　?。?）多聯(lián)產(chǎn)對因水洗產(chǎn)生的生物質(zhì)提取液和生物質(zhì)炭等副產(chǎn)物進(jìn)行資源化利用，能有效杜絕氣化過程的環(huán)境污染，滿足未來社會對環(huán)保更嚴(yán)格的要求。

　?。?）多聯(lián)產(chǎn)還有利于提高系統(tǒng)可靠性和可用率，如果其中一種產(chǎn)品被社會淘汰或者經(jīng)濟(jì)效益并不顯著，可以開展另外一種新興產(chǎn)品的應(yīng)用，提高生物質(zhì)氣化技術(shù)的生命力。

　?。?）通過利用多臺1MW的氣化爐并聯(lián)集中供氣發(fā)電，擴(kuò)大固定床氣化發(fā)電規(guī)模，對發(fā)電機(jī)尾氣余熱進(jìn)行回收利用，提高生物質(zhì)利用效率，降低單位發(fā)電成本，提高生物質(zhì)規(guī)模效益。

　　3生物質(zhì)下吸式固定床氣化系統(tǒng)設(shè)備

　　3．1生物質(zhì)下吸式固定床氣化爐

　　生物質(zhì)固定床氣化爐主要分為上吸式、下吸式氣化爐和橫吸式氣化爐。下吸式固定床氣化爐因其燃?xì)庵薪褂秃康停?0～500mg/m3）的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，是目前固定床氣化爐中的研究熱點(diǎn)。下吸式固定床氣化過程從上至下主要分為4個反應(yīng)區(qū)：干燥區(qū)、熱解區(qū)、氧化區(qū)和還原區(qū)（圖3）。

　　下吸式氣化爐性能主要根據(jù)可燃?xì)獾某煞?、熱值和產(chǎn)量，可燃?xì)庵薪褂秃?，氣化爐的產(chǎn)能、碳轉(zhuǎn)化率和冷氣效率等方面來判斷，其性能主要受當(dāng)量比、表觀速度、物料特性（化學(xué)組成、含水率、形態(tài)（粒徑））、氣化劑種類等因素的影響。以空氣為氣化劑，通過對木材、榛子殼、甘蔗渣、橄欖果渣、畜禽糞便、稻殼、城市下水道污泥等生物質(zhì)進(jìn)行氣化研究表明，下吸式固定床氣化爐的主要性能如下：當(dāng)量比0．2～0．5，含水率≤25%，可燃?xì)庵饕煞种?，含CO15%～20%、H215%～20%、CH40．5%～2%、CO210%～15%，熱值4～6（MJ/Nm3），冷氣效率55%～80%，碳轉(zhuǎn)化率75%～95%，電轉(zhuǎn)化率10%～15%。

　　筆者研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的稻殼和木片下吸式固定床氣化爐，為了克服固定床的缺點(diǎn)，進(jìn)行如下改進(jìn)：

　?。?）提高設(shè)備的機(jī)械自動化水平：進(jìn)料和出炭采用風(fēng)送系統(tǒng)，集中供料和收炭；氣化爐頂部采用撥料器自動撥料，爐內(nèi)采用爐排結(jié)構(gòu)，通過液壓驅(qū)動升降往復(fù)，避免了爐內(nèi)架橋和燒穿現(xiàn)象，無需人工通爐。

　?。?）降低焦油含量：采用二步進(jìn)氣方法，提高爐內(nèi)反應(yīng)溫度，使?fàn)t內(nèi)有兩個高溫氧化區(qū)，使可燃?xì)饨?jīng)過二次裂解，不僅降低可燃?xì)饨褂秃?，還提高燃?xì)鉄嶂怠?/p>

　?。?）便于放大設(shè)計(jì)：氣化爐采用直筒形（Straitified），而非喉式（Imbert）氣化爐，便于擴(kuò)大規(guī)模設(shè)計(jì)。采用此種結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)成功開發(fā)出1MW的木片和稻殼氣化爐。

　?。?）延長使用壽命：氣化爐下爐體和爐排采用水夾套結(jié)構(gòu)，既能冷卻不在反應(yīng)區(qū)炭的溫度，又能降低爐體這幾個部位的溫度，延長爐體使用壽命。

　　3.2生物質(zhì)燃?xì)鈨艋到y(tǒng)

　　生物質(zhì)氣化爐中產(chǎn)生的可燃?xì)鉃闅庖夯旌衔?，不能直接加以利用，其中含有大量雜質(zhì)，主要是固體雜質(zhì)（灰、焦炭、顆粒）、液體雜質(zhì)（焦油、水蒸氣）和少量微量元素（堿金屬等），必須經(jīng)過凈化處理才能進(jìn)入發(fā)電機(jī)發(fā)電。固體雜質(zhì)的去除比較簡單，一般采用干式和濕式這兩種物理法去除。干式除灰主要設(shè)備有旋風(fēng)分離器、顆粒層過濾器、袋式除塵器等。濕式除灰是利用液體（一般為水）作為捕集體，將氣體中雜質(zhì)捕集下來，主要設(shè)備有鼓泡塔、噴淋塔、填料塔、文丘管洗滌器等。液體雜質(zhì)，特別是焦油組分的去除比較復(fù)雜，這是氣化技術(shù)的一大難點(diǎn)。焦油去除方法主要有機(jī)械/物理法、熱裂解法和催化裂解法。雖然熱裂解法和催化裂解法實(shí)驗(yàn)研究效果顯著，但是離工業(yè)化應(yīng)用還有很大差距，主要原因：催化劑易鈍化，價格昂貴，難以回收利用；設(shè)備技術(shù)不成熟，成本投資太大等。因此目前應(yīng)用最廣泛的是機(jī)械/物理除灰/焦法。

　　3.3生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)

　　下吸式固定床氣化發(fā)電所用發(fā)電機(jī)一般采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)（RICEs）中的柴油機(jī)，其具有熱效率高、啟動性能好、耐久性好、維護(hù)周期長的優(yōu)點(diǎn)。RICEs對生物質(zhì)燃?xì)赓|(zhì)量要求是固體雜質(zhì)含量少于50mg/Nm3，焦油含量少于100mg/Nm3。傳統(tǒng)的RICEs一般都是以熱值較高的天然氣、柴油和汽油為燃料，而下吸式固定床氣化爐產(chǎn)出的生物質(zhì)燃?xì)獾臒嶂狄话阒挥?～6MJ/Nm3，其中含氫氣量、氮?dú)饬糠謩e為15%～20%、40%～50%（體積分?jǐn)?shù)），而且可能還含有少量未凈化完全的焦油。因此為了適應(yīng)成分特殊、熱值更低的生物質(zhì)燃?xì)馊剂?，RICEs必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)才能適用于燃?xì)獍l(fā)電，主要包括機(jī)械部件和燃燒工藝的改進(jìn)，改進(jìn)型柴油機(jī)的電轉(zhuǎn)化效率只有30%左右。

　　目前適用于生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電的改進(jìn)型柴油機(jī)一般都在200～500kW，山東淄博淄柴新能源有限公司與筆者研究團(tuán)隊(duì)合作已成功開發(fā)出1MW的燃?xì)獠裼蜋C(jī)，使之與1MW下吸式固定床氣化爐配套使用。

　　4生物質(zhì)固定床氣化多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品研究和應(yīng)用分析

　　生物質(zhì)原料經(jīng)過固定床氣化后轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)可燃?xì)?、生物質(zhì)炭、生物質(zhì)提取液（活性有機(jī)物和焦油）三相產(chǎn)品，其中生物質(zhì)燃?xì)獾膽?yīng)用已經(jīng)相對比較成熟，對生物質(zhì)炭和提取液的應(yīng)用報道較少。生物質(zhì)原料經(jīng)過固定床氣化后轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)三相產(chǎn)品見圖4，固定床生物質(zhì)氣化發(fā)電項(xiàng)目實(shí)例見圖5，生物質(zhì)提取液應(yīng)用實(shí)例見圖6。

　　4．1生物質(zhì)可燃?xì)獾膽?yīng)用（發(fā)電和供熱）分析

　　世界范圍內(nèi)有文獻(xiàn)記載的商業(yè)化的生物質(zhì)下吸式固定床氣化發(fā)電（或供熱）項(xiàng)目情況，在發(fā)達(dá)國家或者發(fā)展中國家都有分布，基本上屬于小規(guī)模的應(yīng)用（≤3MW）（表1）。燃?xì)庥糜诠釙r，需要在鍋爐前加裝特殊燃燒器。南京林業(yè)大學(xué)經(jīng)過多年的研究成功開發(fā)出以稻殼和木片為原料的500～1000kW的下吸式固定床氣化發(fā)電（或供熱）設(shè)備，其中在安徽潁上和江蘇常州的項(xiàng)目已經(jīng)成功連續(xù)運(yùn)行超過2年，技術(shù)已經(jīng)成熟，另外還有幾個項(xiàng)目正在建設(shè)和調(diào)試中，2年之內(nèi)也將全部開始商業(yè)化運(yùn)行。

　　筆者認(rèn)為，通過開發(fā)出1MW的固定床氣化爐及配套的1MW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，然后多臺并聯(lián)的1MW氣化爐通過儲氣罐供氣給多臺并聯(lián)的1MW的發(fā)電機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)下吸式固定床氣化發(fā)電技術(shù)的中等及以上規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)生的電可并網(wǎng)使用。通過并網(wǎng)模式可以實(shí)現(xiàn)固定床氣化發(fā)電的規(guī)?；l(fā)展，再通過回收發(fā)電機(jī)尾氣（400～500℃）的熱能，用于干燥原料，進(jìn)一步提高生物質(zhì)熱效率，是一種有潛力的可再生能源利用方式。

　　4．2生物質(zhì)炭的應(yīng)用分析

　　4．2．1生物質(zhì)炭的組成

　　生物質(zhì)炭（Bio-char）是指由富含碳的生物質(zhì)通過裂解或者不完全燃燒生成的一種富炭產(chǎn)物。生物質(zhì)經(jīng)過下吸式固定床氣化后，產(chǎn)炭率為15%～25%。生物質(zhì)炭根據(jù)其原料的不同，可分為農(nóng)作物秸稈炭、木炭和稻殼炭等。表2列出3種氣化炭的元素和工業(yè)分析，文獻(xiàn)中分析了幾種炭的微量元素含量、比表面積、孔容和孔徑分布?？傮w上說，固定床氣化產(chǎn)生的生物質(zhì)炭還具備一定的燃燒熱，富含植物生長必需的N、P、K、Ca、Mg等營養(yǎng)元素，具備較強(qiáng)吸附功能的孔隙結(jié)構(gòu)。

　　4．2．2農(nóng)業(yè)用——有機(jī)復(fù)合肥料和土壤修復(fù)劑

　　生物質(zhì)炭主要由碳元素組成，并富含植物生長所必需的營養(yǎng)元素及發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，pH為8～10，因此其在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的前景廣闊。其主要作用有：（1）堿性的生物質(zhì)炭可以改良酸性土壤；（2）生物質(zhì)炭發(fā)達(dá)的孔隙可以增強(qiáng)土壤的通氣性和保水能力，同時也為微生物提供了生存和繁殖的場所；生物質(zhì)炭的孔隙可以影響作物對分子的吸附和轉(zhuǎn)移；（3）生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)使表層土壤空隙度增加，密度減小，這種結(jié)構(gòu)有利于植物根系的生長，從而促進(jìn)作物地上部分的生長，提高作物的產(chǎn)量；（4）生物質(zhì)炭可以吸附和保持水分，并且可以增強(qiáng)土壤水分的滲透性；（5）生物炭在土壤中有極強(qiáng)的抗微生物和化學(xué)分解的能力，這使得它可以在土壤中存儲較長的時間，同時緩慢釋放營養(yǎng)供植物吸收；（6）生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)和表面豐富的含氧官能團(tuán)使得生物質(zhì)炭具有較強(qiáng)的吸附有毒物質(zhì)的能力，可以用來修復(fù)污染土壤；（7）生物質(zhì)炭具有積聚能量的性能，能適當(dāng)提供土壤溫度（1～3℃）。

　　基于生物質(zhì)炭的以上功能，開展農(nóng)作物秸稈炭（稻草炭、麥秸炭、玉米秸炭等）在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，制成炭基復(fù)合肥料和土壤修復(fù)劑，使之“取之于田，用之于田”，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)低碳、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)以農(nóng)作物秸稈炭為原料制成炭基緩釋肥料，在大田試驗(yàn)中表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)和提高品質(zhì)效果，同時減少養(yǎng)分的淋溶損失和化學(xué)肥料的面源污染，維持了土壤的可持續(xù)生產(chǎn)能力，目前正處于市場開發(fā)和推廣階段。南京林業(yè)大學(xué)也利用生物質(zhì)炭開發(fā)出有機(jī)肥料，基質(zhì)等產(chǎn)品用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?，F(xiàn)在，炭基復(fù)合肥料等產(chǎn)品都處于工業(yè)化推廣階段，需通過大規(guī)模推廣應(yīng)用來驗(yàn)證生物質(zhì)炭還田的各種性能與效果。

　　4．2．3民用——成型炭燃料根據(jù)表2可以看出生物質(zhì)炭還有一定的燃燒熱值，特別是木炭熱值達(dá)到近31768kJ/kg，甚至超過標(biāo)煤的熱值（29260kJ/kg），因此將其制成成型炭和速燃炭，可替代煤廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和民用生活，如工業(yè)鍋爐、供暖、餐飲、燒烤等。生物質(zhì)成型炭燃料具有形狀規(guī)則、較高的堆積密度與強(qiáng)度、易燃、無煙、無污染、灰分少、熱值高等優(yōu)點(diǎn)。速燃炭制作時還需要添加一定量的引燃劑，包括各類易燃的無機(jī)材料，碳酸鈉、硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鍶、氯化鈉以及以一定質(zhì)量比例混合的氫氧化鋁和氯化鈉，確保制成的速燃炭滿足“一點(diǎn)即燃”。

　　4．2．4工業(yè)用——活性炭/冶金保溫材料

　　氣化產(chǎn)生的木炭具有較高的固定碳，較低的灰分，非常適合制成活性炭產(chǎn)品，提高生物質(zhì)炭的附加值，已有人對其可行性進(jìn)行了研究。稻殼炭和稻草炭等雖然灰分含量較高，但是其Si含量也非常高，因此也可考慮用其制活性炭同時提取SiO2。稻殼炭目前主要還是用于冶金行業(yè)的保溫材料，將其覆蓋在鋼水、鐵水上進(jìn)行保溫，可大大提高成品率。

　　4．3生物質(zhì)提取液（活性有機(jī)物和焦油）的應(yīng)用分析

　　4．3．1生物質(zhì)提取液成分

　　生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)水洗和冷凝后會產(chǎn)生大量提取液，提取液循環(huán)噴淋后濃度會逐漸增加。提取液的主要成分可分為兩大類：一類為水溶性的活性有機(jī)物，主要成分為有機(jī)酸、酚類、醛類、酮類、酯類等有機(jī)物；另一類為易溶于有機(jī)溶劑的焦油，主要成分為芳香族化合物，大部分的焦油（分子質(zhì)量較大）都會沉淀在提取液循環(huán)池底部，少量的焦油（分子質(zhì)量較?。∮谔崛∫罕砻?。

　　目前關(guān)于生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的活性有機(jī)物和焦油的具體組分的數(shù)據(jù)非常有限，而關(guān)于生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的醋液的成分的定量和定性分析非常詳細(xì)，兩種工藝同屬生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，只是溫度和工藝有一定的差異。由文獻(xiàn)可知幾種生物質(zhì)熱解醋液的主要成分為酚類、酮類、有機(jī)酸和醛類等，密度為1～1．1g/cm3，pH為2～3，顏色為深棕色，并且具有濃煙焦味。通過GC/MS分析了熱解產(chǎn)生的竹焦油的化學(xué)組分，含93種化合物，主要分為脂肪族化合物和芳香族化合物。脂肪族化合物的相對含量為7．31%，主要為環(huán)戊烯酮和有機(jī)酸衍生物；芳香族化合物的相對含量為75．24%，主要為烷基苯酚、烷基苯、雜環(huán)類及其取代物。

　　4．3．2生物質(zhì)活性有機(jī)物提取液的應(yīng)用

　　日本、韓國等國家對竹醋液的研究較為深入，已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。經(jīng)過江蘇省疾病預(yù)防中心的細(xì)胞毒性試驗(yàn)，遺傳毒性試驗(yàn)和經(jīng)口急慢毒性試驗(yàn)證實(shí)活性有機(jī)物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上使用安全。大量研究表明，活性有機(jī)物具有以下功能：（1）促進(jìn)農(nóng)作物種子發(fā)芽、生根、生長；（2）提高水果的產(chǎn)量和糖度，改善鮮果口感和外觀品質(zhì)；（3）具有抑菌、殺菌和驅(qū)避害蟲能力；（4）防治土壤中根結(jié)線蟲病。

　　鑒于活性有機(jī)物的以上功效，可制成植物生長調(diào)節(jié)劑（葉面肥）和抑菌、殺菌劑。筆者所在團(tuán)隊(duì)在寧夏、江西、江蘇、山東等省市對幾種水果開展葉面肥的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提取液能增加西紅柿的座果率，改善蘋果的著色、口感和產(chǎn)量；與山東新港生物科技有限公司合作開發(fā)的葉面肥經(jīng)2年多的推廣應(yīng)用，證明不僅具有肥效，又具有抑蟲防病的功能，能提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，在農(nóng)民中反響很好，推廣應(yīng)用前景廣闊。另外，研究了提取液對線蟲病的防治效果，使用400倍稀釋的提取液對盆栽黃瓜土壤進(jìn)行澆灌，與空白對照組對比后發(fā)現(xiàn)，土壤pH下降15.81%，病株率下降54.54%，病情指數(shù)下降59.51%，證明其對防治線蟲病有良好的效果。此項(xiàng)技術(shù)的成功推廣應(yīng)用將有效減少農(nóng)藥用量，緩解有害生物的抗藥性，減輕農(nóng)藥對環(huán)境的毒性壓力，促進(jìn)我國無公害、綠色及有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。提取液在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用效果見圖6。

　　4．3．3生物質(zhì)焦油的應(yīng)用

　?。?）特殊化學(xué)品。目前生物質(zhì)氣化焦油的產(chǎn)品開發(fā)還很少，然而煤焦油相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)卻已非常成熟。全世界每年需要消耗3．7×107t芳烴類化學(xué)品，其中有1/6只能從煤焦油提取出來，例如15%～25%的BTX（苯、甲苯和二甲苯）和95%的多環(huán)芳烴只能來自于煤焦油。為了得到高附加值的化學(xué)品，根據(jù)焦油成分沸點(diǎn)的不同，焦油需要通過蒸餾進(jìn)行粗分，然后再使用其他的技術(shù)進(jìn)行提純分離成各種化學(xué)品。煤焦油的高附加值提純利用，可為生物質(zhì)氣化大規(guī)模發(fā)展產(chǎn)生的生物質(zhì)焦油的應(yīng)用提供思路。

　?。?）可再生燃油（Bio-oil）。目前對于快速裂解制生物油的研究非常多，很多研究者將其作為可替代柴油、汽油的可再生綠色燃料進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用。快速裂解生物油由于黏度高、腐蝕性強(qiáng)、熱不穩(wěn)定、易老化和低熱值等缺點(diǎn)，難以直接作為燃料使用。目前有幾種方法對其進(jìn)行品質(zhì)升級，有物理方法和催化升級等方法。物理方法：通過添加極性溶劑（如甲醇），可改善生物油的黏度和均勻性，提高熱值；或者添加表面活性劑后與柴油進(jìn)行混合乳化，經(jīng)過物理法升級的生物油可替代柴油、汽油等供發(fā)電機(jī)發(fā)電或供鍋爐燃燒。催化升級：通過催化加氫和催化裂。

　　氣化焦油和快速裂解產(chǎn)生的焦油（生物油）的熱值相差不大（表3），只是氣化焦油中水分、碳元素和灰分含量更高，因此氣化焦油與快速熱解生物油一樣，具備制成高品質(zhì)生物油的潛力。

　　目前，生物質(zhì)氣化的焦油還難以進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。原因是與煤焦油相比，各地氣化工廠產(chǎn)生的焦油太分散，且產(chǎn)量也不是很大，最好隔一段時間收集清理一次，如果不能高附加值利用，為防止造成環(huán)境污染，可直接與原料混合后進(jìn)氣化爐再次氣化，或者與木炭混合制成成型炭棒供鍋爐燃燒。

　　5結(jié)語

　　綜上所述，生物質(zhì)氣化技術(shù)的困境主要是技術(shù)不夠成熟，氣化副產(chǎn)物未加以資源化利用，規(guī)模效益不突出。生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的提出為生物質(zhì)氣化技術(shù)走出困境指明了新思路，將徹底解決氣化技術(shù)目前存在的問題。生物質(zhì)氣化技術(shù)雖然是一項(xiàng)傳統(tǒng)的技術(shù)，但是在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，深入研究它的發(fā)生、發(fā)展和調(diào)控規(guī)律，克服它固有的某些缺陷，并賦予它更多的新活力。對生物質(zhì)氣化技術(shù)的認(rèn)識和應(yīng)用，將會在我國和世界的生物質(zhì)資源化利用領(lǐng)域中，發(fā)揮它應(yīng)有的貢獻(xiàn)。