张齐生

　　
一、生物质气化技术的历史沿革
　　
　　生物质气化是指生物质在高温、无氧或缺氧条件下，发生热分解，产生可燃气体的过程。农林生物质包括各种秸秆、稻壳、果壳、果树枝条及林业三剩物等，具有来源广、数量多、可再生、零排放及环境友好等优点，是一种十分宝贵的可持续获得的绿色资源。
　　生物质气化技术早在上上个世纪1883年就问世于欧洲，上世纪的40、50年代，中国的汽车也曾利用过这项技术，将木炭在缺氧条件下高温气化产生可燃气，代替柴油、汽油作为汽车的燃料。应该说，气化技术是一项古老的传统技术。但是，在便捷、廉价的油、气年代里，由于气化技术中的某些缺陷，这项技术被人们忘却和冷落了一个多世纪，未被很好的加以利用。
　　综合研究与观察发现，影响生物质气化技术开发利用的主要原因是：
　　（1）气化技术产生的产品单一，仅产生可燃气，经济效益不显著；
　　（2）气化过程中，特别在低温气化环境下，可燃气中的焦油含量高，容易污染发电机的喷嘴和燃气用具，影响设备的正常工作；
　　（3）净化可燃气过程中，产生的生物质提取液（也称木醋液）未能开发工业化用途，直接排放会造成环境污染；
　　（4）产生生物质气化的固定床和流化床设备产气量不大，仅能驱动200-300kw的发电设备，工业化应用前景不广。流化床气化设备对生物质原料的形状、大小有一定的要求，因而增加了原料的加工费用。
　　针对上述4个关键性的技术难题，近十年来在广泛调查研究的基础上，开展了创新性的研究工作：
　　（1）提出了生物质气化多联产技术的学术思想，并从原理和技术上成功实现了在生物质气化过程中，同时制取生物质可燃气、生物质炭和生物质提取液；开展了生物质炭、生物质提取液的基本性质及应用途径的研究，在山东、江苏、宁夏、江西等省开展了以生物质提取液为基质的活性有机叶面肥在大田作物、水果、蔬菜等作物上的应用试验
　　的应用试验，都取得了可喜的效果，为提高综合经济效益提供了技术支持。
　　（2）科学的分析和验证了产生焦油的机理，设计和制造二次进气的固定床高温气化发生炉，使生物质在气化过程中少产生或不产生焦油，并采取科学、高效的气液净化分离技术，使可燃气满足用气设备的技术要求，确保设备的稳定可靠运行；
　　（3）研制开发高效、大功率、自动化程度高的固定床生物质气化发生炉，满足下游工业部门对气化产能的需求。目前，气化发电的功率可达500kw/h，今后可提升至1000 kw/h；
　　（4）创新研究思路，改变不同气化条件，调控可燃气的成分和数量。
　　生物质气化技术虽然是一项传统的技术，只要我们在原有技术的基础上，深入研究它的发生和调控规律，克服它固有的某些缺陷，并赋予它更多的新的活力。对生物质气化技术的认识和应用，将会由“必然王国”走向“自由王国”，在我国和世界的生物质资源化利用领域中，发挥它应有的贡献。
　　因此，生物质气化技术应当引起大家的重视，重新来认识它，并投入更多的精力，开展创新型的研究。
　　
二、生物质气化多联产技术的基本原理
　　
　　1、基本原理
　　生物质气化过程中，主要分为原料干燥区、热解区、氧化区和还原区等四个阶段，在整个反应过程中，炭是充分满足的，氧气是限量供应的。因此，在氧化区和还原区发生了一系列的化学反应，其中还原区的反应过程是决定可燃气中的一氧化碳、氢气、甲烷的数量。如果适当的改变反应条件，可大幅度的增加可燃气成分的结构和数量。
　　（1）干燥区：20-200℃，原料中自由水和结合水的蒸发。
　　（2）热解区：200-600℃，原料在缺氧的条件下裂解产生大量可燃气(CO，H2，CH4等)、炭、焦油。
　　（3）氧化区：800-1200℃，生物质炭与气化剂反应。
　　C+O2   CO2    2C+O2   2CO
　　（4）还原区：800-1000℃，还原反应。
　　 C+H2o   CO+H2    C0+H2O   CO2+H2
　　   C+CO2   2CO     C+2H2   CH4
　　         CO2+H2   2CO+H2O
　　2、关键设备
　　生物质气化多联产设备主要由两大部分组成：
　　（1）生物质气化发生炉。
　　技术要求：①结构科学、运行可靠、使用寿命长；②热效率高、产气量大、焦油含量低；③自动化程度高，尽量减少人工操作；④出炭、出气顺畅，炉内不架桥；⑤安全性好，防止系统的漏气，引起燃烧或爆炸。
　　（2）气液分离系统。
　　技术要求：①结构科学、易于加工；②可燃气中焦油含量低；③可燃气中的水分、温度符合发电要求。
　　图5  500kw/h生物质气化气液分离系统
　　
三、生物质可燃气和生物质炭
　　
　　1、生物质可燃气
　　可燃气的成分主要有甲烷、一氧化碳、氢气，输入燃气轮机可直接发电，也可直接向用户供气。
　　2、生物质炭
　　（1）生物质炭的性质
　　根据生物质原料来源不同，可分为木炭、稻壳炭、秸秆炭等。
　　表2 生物质炭的性能
　　原料 热值
　　（kcal/kg） 灰分含量
　　（%） 挥发分含量
　　（%） 固定碳含量
　　（%）
　　木炭 7222 8.44 9.76 81.8
　　稻壳炭 4425 45.35 5.21 49.44
　　稻草炭 4500  18 9 73
　　（2）生物质炭的应用
　　木炭在工业和民用中已有广泛的用途，是一种重要的工业和生活原料。秸秆炭中的稻草炭经测定，含钾3.1%、磷3.9%，镁2.9%、钙1.3%，比表面积158m2/g。稻草炭和氮、磷、钾或家禽、家畜的粪便可制成各种优质的复合肥或有机肥，还田后对作物的产量和品质有如下效果：
　　① 可增加土壤孔隙度，降低土壤容重、改善土壤通气、透水状况，提高土壤最大持水量，缓解了土壤板结的难题。土壤中增加4%的稻草炭，土壤的容重从1.39g/cm3减少至1.20g/cm3，土壤最大持水量从37.71%增加至41.17%。
　　② 可将土壤中紧缺的氮、磷、钾、镁等大量元素返回到土壤中，而且还可以补充植物所必须的铜、铁、锌等微量元素，有利于提高农作物的产量和品质。
　　③ 可抑制土壤对磷的吸附，有利于磷的解吸，从而改善植物对磷的吸收利用。研究表明，当土壤加磷量为100mg/kg时，土壤中增加4%的稻草炭，磷的吸附率为22.37%，而未加稻草炭的土壤则高达52.43%；而相应土壤磷的解吸率由0.85%提高到22.81%。
　　④ 具有修复土壤重金属污染的作用，对污染土壤中的镉(Cd)具有显著的吸附作用。在三级镉污染的土壤(100mg/kg为三级、0.6mg/kg为二级、0.3mg/kg为一级) 中进行种植小白菜试验，结果表明，加入4%稻草炭后，小白菜叶中镉的含量减少49.43%，小白菜根中镉的含量减少73.51%。
　　
四、生物质提取液
　　
　　1、提取液的基本性质
　　以稻壳为原料生产的生物质提取液的基本性质如下表3所示。
　　                               表3  稻壳提取液的基本性质        
　　试样 密度
　　 （g/cm3） 折光率
　　（nD19） pH 总酸
　　（%） 颜色 气味
　　粗提取液 1.05 1.7856 7.86 0.89 黑褐色 烟焦味
　　精制提取液 1.025 1.3387 7.93 0.56 淡黄透明 微弱烟焦味
　　生物质材料气化过程中产生的气体，经分离、冷凝后得到生物质提取液，经分析测定，主要含有酸类、醇类、酯类、醛类、酮类、酚类等多种化学成分。
　　稻壳提取液含有18种物质，主要含有21.17%醇类、3.75%酚类和3.65%酯类，另有40.08%酸类、酯类、醛类、酮类等其它物质。
　　稻草提取液主要含有1.89%醇类7.49%酚类、3.21%酯类、8.23%酮类、0.68%酸类、0.95%醛类物质，还含有4.44%的其它物质。

　　样品 抑菌率（%）
　　 白色念珠菌 黑曲霉菌 大肠杆菌 金黄色葡萄球菌
　　粗提取液 93.61 80.7 100 48.5
　　精制提取液 94.8 82.32 100 52.43
　　无菌水 0 0 0 0
　　由于这些有机化合物本身具有生物活性，具有促进作物生长和抑菌、杀菌性能，各种物质之间相互协同作用，使生物质活性提取液具有良好的促进作物生长和抑菌、杀菌性能。
　　2、提取液的抗菌性能
　　以稻壳活性提取液为原料，以白色念珠菌、黑曲霉菌、大肠杆菌及金黄色葡萄球菌为供试菌种，按抑菌试验方法进行抑菌试验，结果如表4所示。
　　稻壳活性提取液对白色念珠菌、大肠杆菌有很强的抑菌效果，抑菌率都在90%以上，对金黄色葡萄球菌、黑曲霉菌有一定的抑菌作用。
　　3、提取液毒理性、重金属及细菌数试验
　　经江苏省疾病预防控制中心对稻壳提取液进行的毒理性试验结果表明：该样品雌雄小白鼠经口毒性试验验证属于无毒级。
　　经国家轻工业香料化妆品洗涤用品质量监督检测南京站对稻壳活性提取液中重金属及细菌数试验结果表明：该样品的重金属及细菌数均符合QB/T2660-2004《化妆水》标准要求。
　　4、提取液作基质的叶面肥
　　以稻壳提取液作为基质，增加农作物生长紧缺的大量元素、中量元素和微量元素，稀释至300-500倍作为有机叶面肥。
　　研究表明：稻壳提取液作为叶面肥或液体肥使用能有效提高西红柿、苹果、李子、萝卜、花生、油麦菜、水稻和辣椒等瓜果、蔬菜等作物的产量和品质，提升瓜果的口感。各地的大田试验结果表明，杏子、李子、苹果、桔子等鲜果类在果树疏果后，每隔7-10天喷洒一次叶面肥，连续喷洒三次，收获时的产量可增加10-15%，维生素和糖分含量可增加3-5%，果形和口味明显改善；各种叶菜、马铃薯和花生等块茎作物，可增加产量15-25%。另外，大量的测试分析表明，不同原料的生物质提取液由于原料成分的差别，提取液的成分也有某些差别，但基本成分和类别没有太大的变化。
　　5、提取液在防止病虫害上的应用
　　三年来江苏句容戴庄有机农业社6000多亩有机水稻，育秧全部采用（稀释30倍）稻壳提取液浸种，秧田基本未见恶苗病、苗稻瘟及干尖线虫病发生，秧苗长势好。大田也没有发生过恶苗病、稻瘟及干尖线虫病危害。
　　有机草莓栽培试验田已连续三年用稻草提取液（100-300倍）防治草莓蚜虫及灰霉病，病害基本得到控制，对棚内放蜂授粉没有影响，可生长出优质有机草莓。
　　在连栋温室中，用盆栽黄瓜进行土壤线虫试验，使用400倍生物质提取液浇灌，能显著降低盆栽黄瓜根结线虫的发生率，发病株的病情指数也显著下降。
　　
五、生物质气化多联产技术前景展望
　　
　　1. 正常运行条件下，每吨木片可发电900kw/h，产出木炭0.20吨，提取液0.20吨；若以稻壳和秸秆为原料，每吨稻壳可发电700-800kw/h，产出稻壳炭0.30吨，稻壳提取液0.15吨；整个加工过程不需要外加热量。
　　2. 产生的气体产品可燃气用于发电或锅炉燃料，已经得到很好的利用；生物质炭根据其原料的不同，也已在工业和农业上得到应用，以木材为原料的木炭，其固定炭和灰分含量均符合制造活性炭的要求，因此是制造活性炭的重要原料；大量试验证明，生物质提取液和各种秸秆炭是制造各种优质专用炭复合肥的主要原料，应用前景十分广泛。
　　3. 将气化炉与发电装置的功率提高至1000kw，并将生物质气化多联产技术综合集成建设5-10兆瓦的生物质多联产电厂，作为一种生物质电厂的模式，具有良好应用前景。
　　
作者简介
　　张齐生，中国工程院院士，南京林业大学教授、博士生导师。20世纪80年代开始从事竹/木材工业化加工利用的科研工作，培养硕士、博士40余名，发表学术论文百余篇，专（译）著8册，获发明专利12项；近10余年来主要从事生物质气化多联产技术的研究，主持国家和部省级项目8项，获发明专利6项。科研成果获国家发明二等奖、三等奖各1项、国家科技进步一等奖1项、二等奖4项、部省科技进步一等奖2项、二等奖1项、三等奖4项；荣获国家级有突出贡献的优秀中青年科技专家、全国科技推广先进工作者、全国优秀林业科技工作者、江苏省劳动模范、江苏省优秀共产党员等荣誉称号，享受政府特殊津贴。