1　绪论

1.1　研究背景

生物质能是世界上容量仅次于石油、煤炭和天然气的第四大能源，具有环境友好和可再生等优点。生物质能的发展对整个社会的可持续发展具有相当重要的意义［1］

生物质是经过光合作用生成的有机物的总称，涵盖范围非常广，包括植物、动物、微生物以及生物界新陈代谢产生的有机排泄物等［2］。生物质能是指通过直接或间接的光合作用，部分太阳能转化为化学能储存在生物质中的能量。生物质能通常被划分为木材加工业废弃物、农林废弃物、水生或油作物、城市或工厂有机废弃物以及动物粪便等［3］。生物质能的全球储量相当大，通过光合作用产生的生物质年产量大约为1700亿t，相当于世界主要能源总量的10倍之多，可是，每年的生物质能消耗总量还不足1%，因此生物质能具有巨大的开发利用潜力［4］。如今全世界都在大力倡导节能减排，生物质能毫无疑问是低碳能源发展的最佳选择之一。因为在整个生物质能的利用过程中，CO2排放量几乎等于其在生长过程中的CO2吸收量，从某种程度上说，生物质能是一种CO2零排放的可再生能源。而且通过生物质转换得到的生物炭具有高活性，同时生物质具有挥发分高以及氮、硫和灰分较低等特性，因而在生物质的转化利用过程中，SOx、NOx和灰的排放量较低［5］。总之，生物质能具备分布范围广、储量大和环境友好等特点。

现在，生物质能在全世界得到大力的发展和利用，见表1-1。近年来生物质能在世界发达区域增长非常迅速，在亚洲地区虽然生物质能的总产量相比其他发达地区落后较多，但是也增长将近3倍之多。表1-2为我国在2005年到2010年的生物质能产量趋势表，在这6年中，生物质能总产量增长了2倍多。2010年，我国生物质能年产量达到1399ktoe，占世界总生物质能年产量的2.4%和亚洲地区生物质能年产量的43.6%。我国地大物博，具有发达的农业和丰富的生物质资源，同时我国正处于经济高速发展的黄金时期，对能源的供应需求与日俱增，因此大力发展国内生物质能的利用技术显得极为迫切［6］。

表1-1　世界生物质能产量［7］　　单位：1ktoe

表1-2　中国生物质能产量［7］　　单位：1ktoe

通常生物质转换技术被划分为直接燃烧技术、物理化学转换技术、生物转换技术和生物油技术4个大类［8］。这4类生物质转换技术都处于各自不同的发展阶段，其中燃烧和炭化技术已经实现了相当程度的商业化。尽管部分生物质转换技术已经成熟，但是生物质本身存在分布范围广、体积大、含水率高以及低能量密度等特点，导致其在利用过程中的运输成本居高不下，而且前处理过程十分复杂，使投入—产出比过高，只能使部分生物质利用技术停留在实验室阶段［9］。

为解决上述生物质存在的能量密度低和前处理过程复杂等缺点，目前大量的研究都集中在生物质同煤混合利用［10］以及生物质预处理技术［11-13］的研发上。尽管生物质同煤混合燃烧或混合气化能够成为现阶段生物质利用的一个较为有效的方式，并能够有效降低CO2和其他有害气体的排放［14］，可是，生物质具有纤维特性使其难以磨碎，从而导致生物质在同煤混合利用的过程中不得不克服生物质颗粒大所带来的约束，大规模燃煤电厂的球磨系统并不适合于纤维特性的生物质的研磨［15］。同时，生物质在气化和燃烧转化过程中主要是气相反应，容易导致生物质和煤在混合转化过程中燃料特性不匹配的问题［16］。例如，生物质在燃煤电厂中同煤混燃，其产生的大量燃气会影响燃烧的稳定性并减少煤和炭颗粒的停留时间，增加了可燃物的损失，从而降低了整体电厂效率。因此生物质直接同煤混合利用还有许多亟需解决的问题。

目前生物质预处理技术主要包括制丸、烘焙、热解等。制丸和烘焙为低温生物质前处理技术，大体能够解决常规生物质利用中存在的难磨性和低能量密度等缺点。热解是一种能够将生物质深层次地转化为生物炭、生物油和热解气的高温前处理技术。热解技术产生的低热值热解气能够作为维持热解过程的热能使用，也能够作为当地居民生活燃气使用，而相比于生物质原料生物炭和生物油是高质化能源物质，生物炭还可以进一步提升制备成高附加值的活性炭。可是，生物炭在单独利用中容易产生高灰尘以及易自燃引发火灾，而生物油直接利用也存在热值低等特性［17］。E.Henrich，F.Weirich等人［18］于2002年提出生物油浆的概念，所谓生物油浆就是将生物质热解后产生的生物炭经过研磨后悬浮于生物油中制备得到的浆体，生物油浆的提出合理地综合了生物炭和生物油各自的特性，解决了上述生物炭和生物油在单独利用中存在的问题。基于生物油浆，Henrich等人也提出后续的利用方式，见图1-1。具体的流程为，生物质原料经过切碎及干燥预处理后送入快速热解装置中在1个大气压及500℃左右进行热解，生成的热解气用于热解装置，约15%的热解气用于发电维持系统的运行，生成的生物炭同生物油混合后泵送入50个大气压、1500℃的加压气流床中，生成的气化气经过清洗合成后发电。

综上所述，生物油浆的提出能够在一定程度上解决传统生物质转化技术中普遍存在的问题，如生物质难磨性、燃料不匹配性（煤同生物质混烧或共气化）、生物油热值低以及生物炭在运输过程中的易自燃性等，进而能够降低由生物质本身存在的低能量密度和分布范围广等引起的运输成本高的难题。因此生物油浆十分具有潜力成为生物质大型化和高效化利用的基础。

图1-1　生物油浆制备及利用流程图

与生物油浆具备如此之多优点形成鲜明对比的是，目前关于生物油浆的研究报告和参考资料非常少，对于生物油浆的转换利用研究更少，这对于从事生物质能大规模和高效率转换利用研究的工作者来说是一种机遇，也是一种大的挑战。同直接燃烧技术相比，气化技术能够对生物油浆进行梯级利用，对生物油浆中的碳氢元素进行高效的转化，同时也是一种高效的清洁利用途径［19］。可是，生物油和生物炭都是十分复杂的物质，尤其生物油是一种含有复杂含氧有机物和水的混合物，几乎包含了所有的有机物种，如醚、酯、醛、酮、酚和有机酸等［20］。通常，传统的气化技术在气化生物质的过程中容易产生难分解的焦油，堵塞系统管路，污染气体产物［21］。因此有必要找到一种更好的方法对生物油浆加以利用。等离子体气化技术就是一个很好的选择，因为高温高能热等离子体流能够快速地将生物油分解为小分子物质［22］，极大地降低气化过程中的焦油含量，得到高品质的合成气。综上所述，本文将重点研究生物油浆等离子体气化特性。