摘要
生物質(zhì)氣化用途廣泛、原料種類和規(guī)模適應性強，是實現(xiàn)生物質(zhì)分布式開發(fā)利用和可燃固體廢棄物處理的效途徑，可部分替代化石能源、推進節(jié)能減排、助力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用。本文綜述了生物質(zhì)氣化、燃氣凈化關(guān)鍵技術(shù)和供熱、發(fā)電、合成液體燃料等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上對中國生物質(zhì)氣化產(chǎn)業(yè)前景進行了展望。
前言
生物質(zhì)氣化用途廣泛且規(guī)模靈活，是能夠真正實現(xiàn)生物質(zhì)“因地制宜”開發(fā)利用的有效途徑。分布式生物質(zhì)氣化利用技術(shù)用戶廣泛，原料種類和規(guī)模適應性強，資金門檻要求較低，不同的規(guī)模下都具有一定的經(jīng)濟性，比集中式利用更易于商業(yè)化。
從生物質(zhì)資源利用的角度看，分布式生物質(zhì)氣化產(chǎn)業(yè)符合中國生物質(zhì)資源分散的特點，適合分散利用和工業(yè)應用，具有較強的適應能力和生存能力。因此，在中國發(fā)展生物質(zhì)氣化技術(shù)有較好的應用前景。
包括氣化在內(nèi)的生物質(zhì)能利用技術(shù)的進展已有諸多綜述，要全面了解其發(fā)展動態(tài)、詳細闡述相關(guān)技術(shù)特征并非易事。本文就生物質(zhì)氣化技術(shù)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和趨勢進行概括，予讀者以借鑒。
1. 氣化關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.1氣化爐
常見氣化爐的優(yōu)勢與劣勢對比見表1。限制生物質(zhì)氣化技術(shù)推廣的因素包括燃氣熱值低、焦油處理難、氣化效率低、爐內(nèi)結(jié)渣和團聚等問題。
因此對氣化的研究主要方向為提高燃氣熱值或特定可燃氣體含量，降低燃氣焦油含量，提高氣化效率，提升原料適應性等。為提高燃氣熱值或特定可燃氣體含量，可采用水蒸氣氣化、富氧氣化、雙流化床氣化、化學鏈氣化和外熱式氣化等技術(shù)；為降低燃氣焦油含量，可利用新型氣化技術(shù)如兩段式氣化、氣流床氣化和等離子體氣化等技術(shù)。
但這些技術(shù)由于成本高、能耗大或技術(shù)瓶頸等問題，短期內(nèi)難以得到規(guī)?；茝V。目前最成熟和應用最廣泛的依舊是常規(guī)固定床和流化床的空氣氣化。
林業(yè)生物質(zhì)灰分較低、熱值較高，是目前歐美國家乃至中國氣化利用的主要原料。非木質(zhì)生物質(zhì)如秸稈、蔗渣、中藥渣等種植業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)副產(chǎn)品，由于灰分較高、熱值較低、密度較小、水分含量高和成分復雜等原因，被視為低品質(zhì)燃料。高灰分容易導致流化床內(nèi)顆粒團聚、固定床高溫區(qū)結(jié)渣；密度小的原料，則容易造成架空和搭橋，不能在固定床直接使用。對低品質(zhì)生物質(zhì)燃料進行處理利用，一般需要烘干、粉碎、成型或烘焙等預處理手段來提升燃料品質(zhì)，也需要合理設(shè)計氣化爐以適應燃料特性；另外，與木質(zhì)原料或煤共氣化也是利用低品質(zhì)生物質(zhì)的有效手段。
1.2燃氣凈化
由于生物質(zhì)的不完全轉(zhuǎn)化，氣化反應過程不可避免地產(chǎn)生焦油和粉塵等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可導致下游燃氣輸送管路及利用設(shè)備發(fā)生堵塞、腐蝕、結(jié)垢等，從而影響燃氣利用過程的效率及長期運行的穩(wěn)定性[3]。內(nèi)燃機、F-T合成、燃料電池等燃氣利用設(shè)備，對粗燃氣的潔凈程度要求較為嚴格[4]，必須采取有效措施將上述雜質(zhì)的含量降低到設(shè)備可接受的范圍之內(nèi)。因此，作為生物質(zhì)氣化工藝的配套技術(shù)，燃氣凈化技術(shù)的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。
將粗燃氣水洗是最簡單且應用最廣泛的焦油脫除方法，脫除效率可達30%~70%。水洗通常在噴淋塔、文丘里管等反應器中進行，粗燃氣與水以并流或逆流的形式直接接觸而被凈化，洗滌水通常循環(huán)使用并須定期更換或補充。這種方式的缺點是損失了粗燃氣的顯熱，并且焦油組分從氣相轉(zhuǎn)移到了液相，污染水體的同時還將蘊含于焦油化合物中的能量不合理地丟棄了。
在900℃以上的高溫狀態(tài)下將焦油熱裂解可得到常溫不可凝氣體，能回收部分焦油中的能量，但裂解溫度須高于1100℃才能顯著進行[5]。這需要輸入額外的能量以再加熱粗燃氣，因此催化劑常被用來降低焦油裂解反應活化能。常用的催化劑[6]有白云石、半焦、Ni基及貴金屬催化劑等。由于催化劑的引入，焦油裂解反應溫度大幅度降低至250~800℃，焦油裂解率的大小與催化劑的種類、反應條件等相關(guān)，從50%到高于95%均有報道，并且更多的焦油成分被選擇性地裂解為輕質(zhì)氣體，因而可增加粗燃氣的熱值。但催化劑積碳反應的發(fā)生使該技術(shù)鮮有連續(xù)運行時間超過100h。
中國科學院廣州能源研究所（以下簡稱廣州能源研究所）在該領(lǐng)域的研究經(jīng)歷了“水洗”?“催化凈化”?“等離子催化凈化”?“凈化?提質(zhì)一體化”幾個發(fā)展階段，取得了一系列的研究成果。在基礎(chǔ)研究方面，先后開展了半焦[7]、白云石[8-9]、Ni基催化劑[10-12]除焦油的研究，但實際應用過程中發(fā)現(xiàn)催化劑失活很快。2012年前后采用“高溫除塵+焦油吸收”工藝用于處理100Nm3/h的生物質(zhì)粗燃氣，最高連續(xù)運行時間達7d[13-14]。但工藝流程較復雜，需要兩個串聯(lián)的反應器分別進行除塵和除焦油，投資成本較大，并需要相應的輔助設(shè)備，動力消耗嚴重。2015年起，廣州能源研究所開展了臨氧除塵除焦油[15]、等離子催化凈化提質(zhì)一體化[16-18]等研究，現(xiàn)已搭建流光電暈等離子體反應器和介質(zhì)阻擋放電反應器各1套，初步研究結(jié)果表明該方法可將焦油中的重質(zhì)組分裂解為輕質(zhì)焦油組分，但400℃下將輕質(zhì)焦油組分繼續(xù)裂解為C4以下烷烴或烯烴所需能量密度為400~600J/L，經(jīng)換算相當于生物質(zhì)氣化發(fā)電總輸出電能的20%[17]。在此基礎(chǔ)上進一步開展了等離子體耦合催化裂解焦油的實驗研究[18]，采用傳統(tǒng)Ni基催化劑耦合等離子體放電，可在430℃條件下，達到100%的苯、甲苯脫除率，能量消耗為16.9g/(kW·h)，提高了焦油脫除效率的同時降低了能耗。在應用研究方面，開發(fā)了3000Nm3/h粗燃氣處理量的“旋風除塵?臨氧陶瓷過濾?水洗?電捕焦”燃氣凈化工藝，連續(xù)運行時間超過2000h，燃氣凈化后焦油與粉塵的含量分別為14mg/Nm3與43mg/Nm3[19]，潔凈燃氣可廣泛用于內(nèi)燃機發(fā)電、化工品合成等過程。
1.3污染物排放控制
工業(yè)有機固廢、垃圾及污泥等廣義生物質(zhì)，其主要元素組成為C、H、O、N、S及少量的Cl、堿金屬等，產(chǎn)生于特定的工業(yè)生產(chǎn)過程，富含纖維素、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素三大類，代表了一種已經(jīng)被集中了的生物質(zhì)資源[20]，可以通過熱化學途徑進行高效清潔轉(zhuǎn)化生產(chǎn)高品質(zhì)燃料。然而，由于工業(yè)生物質(zhì)廢物來源廣泛、成分復雜，含有一定量的N、S、Cl等污染成分，其熱化學特性和污染排放與普通生物質(zhì)相比存在較大差異，以單位發(fā)熱量計算得到的污染物排放濃度值較高，并非是一種傳統(tǒng)意義上的清潔燃料，針對其熱化學轉(zhuǎn)化過程污染物排放與控制的研究具有重要的應用前景。氣化、熱解或者共燃等利用生物質(zhì)能的方式是減排CO2、NOx和SOx的有效措施[21]；烘焙預處理有利于減少氣化過程中含N前驅(qū)物的生成[22]；生物質(zhì)解耦氣化[23-24]則可望實現(xiàn)高效率、低污染物排放、高產(chǎn)品質(zhì)量、多聯(lián)產(chǎn)及廣譜燃料適應性的多目標優(yōu)化。N2是唯一無污染的含N物種，理論上有兩種方法可降低熱解氣化過程氮氧化物的生成量：①在熱解前和熱解過程中控制反應條件或添加催化劑使燃料N最大程度轉(zhuǎn)化為N2[21-22,25]；②利用熱解產(chǎn)生的HCN、NH3還原半焦氧化得到的NOx并生成N2[23-24,26]。S、Cl等污染元素則采用在熱解氣化過程中添加固硫劑、固氯劑的方式，使之穩(wěn)定化在以固態(tài)形式存在的爐渣或飛灰中。根據(jù)各污染元素在熱化學轉(zhuǎn)化過程的賦存形態(tài)與特性，今后的研究將朝分而治之、多污染物協(xié)同控制方向發(fā)展。
廣州能源研究所對富含N、Cl、S的工業(yè)生物質(zhì)在熱解氣化階段污染元素的遷移與轉(zhuǎn)化進行了研究。工業(yè)源生物質(zhì)主要為藥渣、污泥、豆秸等。以富N木質(zhì)纖維素類[27-29]及非木質(zhì)纖維素工業(yè)生物質(zhì)廢棄物[30]、藥渣涼茶渣[31-32]等為原料，研究了在不同升溫速率、熱解終溫條件下不同含N官能團的N釋放規(guī)律，結(jié)合熱重分析和X射線光電子能譜表征，對比研究了熱解過程NOx前驅(qū)物的生成特征[29-30,33]，并對其中的機理進行了詳細分析[34-35]。此外，本研究組還在水熱條件下對市政污泥、脫墨污泥在加壓高溫水相環(huán)境里N的遷移與轉(zhuǎn)化進行了研究[36-38]，為污泥的高值化、能量化、減量化開辟了一條新途徑。在Cl、S遷移轉(zhuǎn)化研究方面，利用礦化垃圾制備衍生燃料，采用熱重紅外質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（TG-FTIR-MS）和水平管式熱解爐/化學吸收法，對比研究了礦化垃圾和常規(guī)垃圾衍生燃料熱解過程腐蝕性氣體（HCl和H2S）的析出特性，分析了熱解溫度及熱解類型對析出行為的影響，并對熱解固相產(chǎn)物腐蝕性元素的賦存特點進行了考察[39]。為不同垃圾衍生燃料的熱利用提供了一定依據(jù)和參考。
1.4灰渣綜合利用
生物質(zhì)氣化過程中產(chǎn)生的灰渣是由生物質(zhì)本身含有的灰分和氣化過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物組成[40]。近年來，國內(nèi)外學者針對生物質(zhì)氣化灰利用進行了大量研究。EBERHARDT等[41]利用生物質(zhì)灰制備出輕質(zhì)保溫磚；SCHETTINO等[42]利用添加一定量甘蔗灰渣的茹土制備出陶瓷材料；QUARANTA等[43]以葵花籽殼灰為主要原料，附以不同比例的廢棄玻璃渣，成功制備出陶瓷制品；涂湘巍等[44]研究發(fā)現(xiàn)秸稈氣化灰渣中含有較多營養(yǎng)元素，其對改良土壤和農(nóng)作物增產(chǎn)有一定的促進作用。稻殼灰由于其巨大的產(chǎn)量和獨特的物化特性，成為研究熱點。稻殼灰中SiO2含量占87%~97%，還有少量的K2O、Na2O、MgO及Al2O3等[45]。根據(jù)稻殼灰中硅的物化特性，可分為非結(jié)晶態(tài)稻殼灰和結(jié)晶態(tài)稻殼灰。
非結(jié)晶態(tài)稻殼灰中硅多以無定型態(tài)存在，具有較強的反應性，可用于制備碳化硅、水玻璃、白碳黑及氣凝膠等多種化工產(chǎn)品[46-49]，但由于稻殼灰中含有多種無機礦物質(zhì)，無法滿足這些產(chǎn)品對純度的要求，一定程度上制約了該方向的產(chǎn)業(yè)化進程。有研究發(fā)現(xiàn)無定型稻殼灰中的硅可與硅酸鹽水泥中的化學物質(zhì)發(fā)生化學反應，提高了混凝土的強度[50-51]，以非結(jié)晶態(tài)稻殼灰替代現(xiàn)有水泥原料中的骨料，可以有效節(jié)約建筑成本[52]。稻殼灰中的無定形SiO2也可作為危險廢物固化中的水泥外加劑[53]。
結(jié)晶態(tài)SiO2具有較好的耐高溫特性，可用于制備隔熱材料用于鋼鐵、絕熱材料、耐火磚和陶瓷生產(chǎn)[54]，添加有結(jié)晶態(tài)稻殼灰的隔熱材料已在煉鋼生產(chǎn)中商業(yè)化應用[55]。
2004年，CHAREONPANICH等[56]通過高溫煅燒的方法，利用稻殼制備出純度較高的白色SiO2，并以其為硅源，在特定的條件下制備出ZSM-5分子篩。而實際工業(yè)燃燒或氣化工藝產(chǎn)出的稻殼灰的雜質(zhì)含量較高，無法直接用于制備ZSM-5分子篩。廣州能源研究所通過高溫堿液水熱處理工藝提純電廠稻殼灰中的SiO2，以制備出的硅溶膠（RHA硅溶膠）為硅源，成功制備出K-ZSM-5分子篩[57]，并系統(tǒng)研究了模版劑用量、反應時間及未外加鋁源等對ZSM-5分子篩制備和合成殘液組成的影響，摸索出最優(yōu)制備方案[58]。
2. 氣化產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
2.1總體狀況
在世界范圍內(nèi)，生物質(zhì)氣化主要用于供熱/窯爐、熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power,CHP）、混燃應用和合成燃料（圖1），目前規(guī)模最大的應用是CHP。20世紀80年代起，生物質(zhì)氣化被美國、瑞典和芬蘭等國用于水泥窯和造紙業(yè)的石灰窯，既能保證原料供給又能滿足行業(yè)需求，具有較強的競爭力，但應用卻不多。20世紀90年代，生物質(zhì)氣化開始被應用于熱電聯(lián)產(chǎn)、多用柴油或燃氣內(nèi)燃機，生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)（biomass integrated gasification combined cycle,BIGCC）也成為研究熱點，在瑞典、美國、巴西等國建成幾個示范工程，由于系統(tǒng)運行要求和成本較高，大都已停止運行。1998年，生物質(zhì)氣化混合燃燒技術(shù)已被用于煤電廠，將生物質(zhì)燃氣輸送至鍋爐與煤混燃，目前已商業(yè)化運行。
生物質(zhì)氣化最新的發(fā)展趨勢是合成燃料，利用氣化獲得一定H2/CO比的合成氣及通過合成反應生產(chǎn)液體燃料（如甲醇、乙醇和二甲醚），能部分替代現(xiàn)有的石油和煤炭化工。早在20世紀80年代，氣化合成燃料技術(shù)在歐美已經(jīng)有了初步的發(fā)展。近年來，受可再生能源發(fā)展政策的激勵，各國加大了對氣化合成技術(shù)的關(guān)注和投入，美國在氣化合成燃料乙醇方面取得了很大的成就，其產(chǎn)能已達600億L/a[59]。
中國的生物質(zhì)氣化主要用于發(fā)電/CHP、供熱/窯爐和集中供氣，已建成了從200kWe~20MWe不同規(guī)格的氣化發(fā)電裝置，氣化發(fā)電正向產(chǎn)業(yè)規(guī)?；较虬l(fā)展，是國際上中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電應用最多的國家之一。較具代表性的項目包括廣州能源研究所“九五”期間建成的福建莆田1MWe谷殼氣化發(fā)電系統(tǒng)、海南三亞1MWe木粉氣化發(fā)電系統(tǒng)、河北邯鄲600kWe秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)，以及“十五”期間建成的江蘇興化5MWe氣化?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站。
氣化燃氣工業(yè)鍋爐/窯爐應用方面，中國的科研單位和企業(yè)也進行了探索。在廣州能源研究所技術(shù)支持下，廣東省已建立生物燃氣工業(yè)化完整的產(chǎn)業(yè)鏈條基礎(chǔ)，近幾年來成功地完成了幾十個生物質(zhì)燃氣項目，典型項目包括常州運達印染、珠海麗珠合成制藥、深圳華美鋼鐵和廣州天天洗衣等項目。目前主要發(fā)展途徑為以生物質(zhì)燃氣替代石化燃油、燃氣作為鍋爐/窯爐燃料。
利用生物質(zhì)氣化技術(shù)建設(shè)集中供氣系統(tǒng)以滿足農(nóng)村居民炊事和采暖用氣也已得到廣泛應用，自1994年在山東省桓臺縣東潘村建成中國第一個生物質(zhì)氣化集中供氣試點以來，山東、河北、遼寧、吉林、黑龍江、北京、天津等省市陸續(xù)推廣應用生物質(zhì)氣化集中供氣技術(shù)。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，截至2010年底全國共建成秸稈氣化集中供氣站900處，運行數(shù)量為600處，供氣20.96萬戶，每個正在運行的氣化站平均供氣約350戶[61]。
2.2生物質(zhì)氣化內(nèi)燃機發(fā)電/CHP
生物質(zhì)氣化發(fā)電/CHP可以通過蒸汽輪機、內(nèi)燃機、燃氣輪機和燃料電池等多種方式實現(xiàn)?？筛鶕?jù)終端用戶的需要靈活配置、選用合適的發(fā)電設(shè)備，規(guī)模一般在20kWe~10MWe之間，非常適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)。目前應用最廣的是內(nèi)燃機發(fā)電（圖2），其負荷可調(diào)性高，20%以上負荷就能運行，也可以多臺并聯(lián)運行。
生物質(zhì)氣化獲得的燃氣熱值較低，H2含量較高，容易引起爆燃；生物質(zhì)燃氣中的焦油容易引起點火系統(tǒng)失靈，燃燒產(chǎn)生的積炭會增加機械磨損；燃氣中的顆粒物也會增加設(shè)備磨損，嚴重時引起拉缸。所以生物質(zhì)燃氣內(nèi)燃機的配件損耗和潤滑油消耗一般比其他燃氣內(nèi)燃機高。從氣化爐出來的燃氣需要經(jīng)過凈化處理，內(nèi)燃機和其他燃氣利用設(shè)備對燃氣的要求見表2。
對燃氣進行深度凈化的成本很高，為了應對燃氣中的焦油問題，通常有兩種方法：一是對內(nèi)燃機進行定期清潔和維護以保證正常運行；二是將入口燃氣保持在燃氣殘存焦油冷凝溫度（約75℃）之上，適用于稀混合氣、高轉(zhuǎn)速、渦輪增壓的內(nèi)燃機組，發(fā)電效率可高達40%[63]。國外的生物質(zhì)燃氣內(nèi)燃機多為低熱值燃氣與柴油共燒的雙燃料機組，大型的MW級機組和單燃料機組則主要由天然氣機組改造而成。中國用于生物質(zhì)燃氣的內(nèi)燃機主要由柴油發(fā)電機改造而成，采用低壓縮比、低轉(zhuǎn)速、燃氣和空氣進入氣缸前充分預混等措施，比較成熟的機組單機功率達到500kWe。
廣州能源研究所在生物質(zhì)氣化?內(nèi)燃機發(fā)電/CHP方面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，已推廣生物質(zhì)氣化發(fā)電/CHP系統(tǒng)近30套。2005?2006年，在國家863計劃支持下，建成國內(nèi)首個生物質(zhì)氣化內(nèi)燃機?蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范工程（圖3a），系統(tǒng)裝機規(guī)模為4.5MWe（內(nèi)燃機組）+1.5MWe（汽輪機組），發(fā)電效率超過26%；2012?2014年，在國家科技支撐計劃的支持下，建成“2MWe生物質(zhì)氣化發(fā)電及熱氣聯(lián)供系統(tǒng)（圖3b）”，研制出了發(fā)電效率為34.5%的8300D/M-2非增壓型500kWe低熱值生物質(zhì)燃氣內(nèi)燃機，示范系統(tǒng)發(fā)電效率為25.5%，CHP綜合熱效率為52.3%；目前，在國家重點研發(fā)計劃項目支持下，計劃建設(shè)2MWe生物質(zhì)氣化發(fā)電和熱氣聯(lián)供示范系統(tǒng)，將機組發(fā)電效率提高到35%以上，系統(tǒng)發(fā)電效率≥27%，熱電聯(lián)供總熱效率≥50%，目前已完成選址和設(shè)計，進入裝置研發(fā)和加工階段。
2.3生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)
IGCC將布雷頓循環(huán)和朗肯環(huán)聯(lián)合（圖4），具有較高的發(fā)電效率。BIGCC是20世紀90年代的研究熱點，最初目的是為了更高效地利用甘蔗渣，目前仍處于發(fā)展完善階段，中國在這方面的研究幾乎空白。BIGCC可通過內(nèi)燃和外燃兩種方式實現(xiàn)，內(nèi)燃方式是燃氣和空氣在燃燒器混合燃燒生成高溫高壓煙氣，進入到透平中膨脹做功；外燃是燃氣與空氣混合燃燒后，通過換熱器將熱量供給壓縮空氣，吸熱后的高溫高壓空氣進入到透平中膨脹做功。外燃方式對燃氣質(zhì)量要求不高，也不需要高壓燃燒，燃氣凈化成本和壓縮能耗較低，但投資成本較高，高溫換熱器等技術(shù)難題未攻克。內(nèi)燃方式對燃氣（表2）的焦油、顆粒物和堿金屬含量要求非常高，以避免氣輪機葉片出現(xiàn)磨損、腐蝕和沉積；燃氣需要增壓后（一般0.7MPa以上）進入燃燒器燃燒，而生物質(zhì)燃氣熱值低、體積流量大，增加了壓縮能耗和成本，加壓氣化可以避免該問題，但增加了氣化爐進料和燃氣凈化的難度。
瑞典Varnamo電廠是世界上首座BIGCC電廠，發(fā)電凈效率為32%。電廠采用FosterWheeler公司的加壓循環(huán)流化床氣化技術(shù)，以空氣為氣化劑，燃氣經(jīng)冷卻器冷卻至350~400℃后，由高溫管式過濾器凈化。電廠1995年開始正式運行，系統(tǒng)整體運行時間超過3600h，其中加壓氣化爐運行時間超過8500h，驗證了生物質(zhì)加壓氣化和燃氣高溫凈化系統(tǒng)的可行性，獲得了寶貴的運行經(jīng)驗。由于運行成本過高，該項目于2000年停止運行。其他BIGCC示范項目見表3，有四個項目采用了瑞典TPS的常壓CFB氣化技術(shù)，這些示范工程目前都已停止運行。
2.4生物質(zhì)氣化燃煤耦合發(fā)電
生物質(zhì)氣化燃煤耦合發(fā)電是將生物質(zhì)在氣化爐中轉(zhuǎn)化為燃氣，燃氣再送入燃煤鍋爐與煤混合燃燒發(fā)電，如圖5。
該技術(shù)也稱間接混燃，也適用于以油、天然氣為燃料的火電廠。需要在燃煤鍋爐設(shè)備基礎(chǔ)上增加獨立的生物質(zhì)氣化系統(tǒng)，并根據(jù)生物質(zhì)燃氣在鍋爐內(nèi)的燃燒段位置增加燃氣燃燒器或局部改造原有的煤粉燃燒器。從氣化爐出來的高溫燃氣直接進入鍋爐燃燒，燃氣顯熱和焦油的能量得到充分利用。該技術(shù)可以利用現(xiàn)役大容量、高效率燃煤機組，發(fā)電效率可達40%~46%，依托燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電并供熱，綜合能源利用效率可達到70%以上。生物質(zhì)氣化燃煤耦合發(fā)電技術(shù)可以充分發(fā)揮大型燃煤發(fā)電機組的優(yōu)勢，而且初投資成本較低、建設(shè)周期短、生物質(zhì)利用規(guī)模靈活、可針對煤和生物質(zhì)價格波動進行自身調(diào)節(jié)，對生物質(zhì)價格控制力強，是生物質(zhì)最高效、經(jīng)濟的利用方式之一。與生物質(zhì)/煤直接混燃技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于燃煤鍋爐腐蝕和沉積的風險較小、對尾氣處理系統(tǒng)無影響、生物質(zhì)灰和煤灰可分別處理，能夠利用的原料范圍更廣。
目前生物質(zhì)氣化燃煤耦合發(fā)電項目并不多，如表4。國內(nèi)第一個氣化耦合項目是國電荊門電廠660MWe機組生物質(zhì)氣化耦合燃燒發(fā)電項目，氣化爐處理量為8t/h，生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電部分為10.8MWe。該項目于2013年10月正式投運，截至2015年11月，累計實現(xiàn)上網(wǎng)電量15157萬kW·h，綜合利用秸稈104685t。該項目獲得了與生物質(zhì)直燃電廠同等的生物質(zhì)發(fā)電上網(wǎng)電價。為鼓勵生物質(zhì)燃煤耦合技術(shù)發(fā)展，2018年6月21日，國家能源局、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點項目建設(shè)的通知》，明確了84個試點項目，其中生物質(zhì)氣化燃煤耦合發(fā)電項目54個，占比64.3%，涵蓋全國18個省和直轄市，反映出市場對發(fā)展生物質(zhì)氣化燃煤耦合發(fā)電的廣泛認可。但與此同時，《關(guān)于公布可再生能源電價附加資金補助目錄（第七批）的通知》將燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電排除在補貼范圍外。
2.5生物質(zhì)氣化?燃料電池發(fā)電
固體氧化物燃料電池（solid Oxide fuel cell,SOFC）技術(shù)突破和規(guī)模化發(fā)展為生物質(zhì)高效分布式發(fā)電提供了一條可行途徑。SOFC在高溫下直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電效率可高達60%；對燃料適應性比較強，氣化燃氣中可燃組分（H2、CO和CH4）均可作為燃料，且發(fā)電效率不受規(guī)模影響，適合分布式發(fā)電應用。生物質(zhì)氣化SOFC發(fā)電流程見圖6。
生物質(zhì)氣化SOFC發(fā)電最早在20世紀80年代被提出。近幾年，隨著氣化技術(shù)和燃料電池技術(shù)的發(fā)展，二者耦合發(fā)電再次在國際上受到廣泛關(guān)注，但相關(guān)研究仍處于起步階段，現(xiàn)有的研究大多集中在生物質(zhì)氣化-SOFC系統(tǒng)的模擬計算[66-68]，實驗研究尤其是以真實生物質(zhì)氣化燃氣作為SOFC燃料的研究很少，僅有的實驗研究多集中在歐洲。奧地利Güssing示范工程[69]將快速內(nèi)循環(huán)流化床水蒸氣氣化燃氣與SOFC聯(lián)合運行26h，結(jié)果顯示SOFC輸出電壓一直保持穩(wěn)定；荷蘭能源研究中心[70]將兩段式氣化燃氣與小型SOFC電池堆（5~30組電池，350W，SulzerHEXIS）聯(lián)合起來運行48~250h，得到系統(tǒng)發(fā)電效率為36%~41%；雅典國家技術(shù)大學的HOFMANN等[71]考察了平板型SOFC耦合生物質(zhì)氣化燃氣時的運行性能，其中氣化工藝采用丹麥理工大學開發(fā)的兩段式氣化爐連續(xù)運行了150h后電池無壓降，驗證了生物質(zhì)氣化燃氣耦合SOFC運行的可行性。
總的來說，現(xiàn)階段生物質(zhì)氣化SOFC發(fā)電在世界范圍內(nèi)研究差別不大，中國可以利用研究積累和核心技術(shù)，開展生物質(zhì)氣化耦合SOFC發(fā)電的研究，為生物質(zhì)高效分布式發(fā)電應用提供技術(shù)儲備。該技術(shù)研究將不僅有利于島嶼、邊遠山區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，同時還可帶來可觀的環(huán)境效益，在中國具有良好的發(fā)展前景。
2.6生物質(zhì)氣化合成
近年來，歐美等發(fā)達國家的眾多跨國公司和科研單位相繼開展了生物質(zhì)氣化合成液體燃料的研究工作，建立了多套示范裝置[1,72]：德國科林公司（Choren）和林德集團（Linde）合作，在芬蘭Kemi建設(shè)了一座年消耗林業(yè)廢棄物1.2×106t、年產(chǎn)1.3×105t生物質(zhì)合成柴油/石腦油的工廠；德國卡爾斯魯厄理工學院和魯奇公司（Lurgi）建立了BTL合成汽油中試廠，以林木剩余物、秸稈和油棕樹葉為原料，日產(chǎn)生物合成汽油2t；瑞典Chemrec公司在瑞典北部Pitea建立了年產(chǎn)1800t甲醇和二甲醚的造紙黑液氣化合成車用燃料示范系統(tǒng)。此外，還有美國的Hynol Process示范工程、美國可再生能源實驗室的生物質(zhì)制甲醇項目和日本三菱重工的MHI生物質(zhì)氣化合成甲醇系統(tǒng)等[73]。最近，DIMITRIOU等[74]計算分析了6種不同BTL氣化合成系統(tǒng)的能效（37.9%~47.6%）和液體燃料生產(chǎn)成本（17.88~25.41€/GJ），其中費托合成工藝最接近傳統(tǒng)石油化工生產(chǎn)成本，且考慮到傳統(tǒng)生產(chǎn)中逐漸增加的環(huán)保成本，生物燃料在未來將更具備競爭優(yōu)勢。
近幾年，中國雖然在生物質(zhì)氣化技術(shù)上有較大發(fā)展，催化合成工業(yè)也逐漸成熟，但有關(guān)生物質(zhì)氣化合成液體燃料技術(shù)的研究尚處于起步階段，僅有河南農(nóng)業(yè)大學、浙江大學、中國科技大學、中國科學院青島生物能源與過程研究所、中國科學院廣州能源研究所等為數(shù)不多科研機構(gòu)的研究報道，產(chǎn)品主要為汽柴油、二甲醚和低碳混合醇等。廣州能源研究所在國家“十五”863計劃支持下，較早開展了生物質(zhì)氣化合成含氧液體燃料的實驗研究[75]；“十一五”期間在國家863計劃、國際合作及中國科學院知識創(chuàng)新項目的支持下，建立了百噸級生物質(zhì)氣化合成二甲醚的評價系統(tǒng)和中試裝置；“十二五”期間在國家科技計劃項目的支持下，建成了千噸級生物質(zhì)氣化合成醇醚燃料示范示范系統(tǒng)（圖7），并開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的萬噸級工藝包。
3. 中國生物質(zhì)氣化產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位
中國生物質(zhì)能利用技術(shù)多種多樣，目前產(chǎn)業(yè)仍不成熟，但堅持分布式發(fā)展是今后的方向。需要根據(jù)技術(shù)特點、市場需求，明確其發(fā)展定位。結(jié)合前述分析，中國生物質(zhì)氣化產(chǎn)業(yè)的基本定位如下。
（1）部分替代燃煤、燃氣，建設(shè)分散工業(yè)供熱、供氣系統(tǒng)，滿足分散、小規(guī)模燃煤燃氣用戶需求，推進國家節(jié)能減排計劃。
生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)具有良好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。中國CO2減排壓力巨大，分散燃煤造成的霧霾等環(huán)境問題日益嚴重，降低化石能源比例、減少燃煤污染是中國能源發(fā)展中相當長時期內(nèi)的核心任務(wù)。生物質(zhì)氣化利用技術(shù)可實現(xiàn)在終端用戶部分替代燃煤和天然氣，例如利用生物質(zhì)為企業(yè)分散供熱、將生物質(zhì)氣化燃燒系統(tǒng)應用于工業(yè)窯爐等，將生物質(zhì)能利用與節(jié)能減排工作有機結(jié)合，為可燃固體廢棄物處理和高耗能行業(yè)節(jié)能減排開辟了新的方法和途徑。
（2）建設(shè)村鎮(zhèn)規(guī)模的分布式生物質(zhì)氣化多聯(lián)供系統(tǒng)，為國家新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略提供支撐。
生物質(zhì)能是分散的地域性能源，主要分布在農(nóng)村地區(qū)。中國農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展極不平衡。一方面，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的農(nóng)民使用潔凈的電能、液化氣等商品能源，將富余的秸稈在田間焚燒，造成極大的環(huán)境污染；另一方面，仍有邊遠地區(qū)沒有電力供應，生活用能沒有保障。根據(jù)當?shù)匦枨?，發(fā)展生物質(zhì)能分布式氣化多聯(lián)供產(chǎn)業(yè)，提供熱、電、燃氣、活性炭、土壤改良劑等產(chǎn)品，可以有效替代高污染、高排放的化石燃料及其產(chǎn)品，資源化利用有機固體廢棄物，有利于建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，促進人與自然的和諧發(fā)展及經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。
（3）氣化合成液體燃料和化工品，部分替代石油工業(yè)產(chǎn)品，服務(wù)國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。
從長遠看，應重點研發(fā)利用農(nóng)林廢棄物等纖維素類生物質(zhì)氣化合成燃料及化工品?；茉从绕涫鞘唾Y源嚴重不足、能源結(jié)構(gòu)失衡，已威脅到中國的能源安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。生物質(zhì)作為唯一一種能直接轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生能源，可以緩解中國對進口石油的依賴，而且能夠大幅度減少溫室氣體的排放，是生物質(zhì)利用的跨越式發(fā)展，其研究和開發(fā)也是世界各國可再生能源發(fā)展的熱點和焦點。
來源：中生燃料