1　緒論

1.1　研究背景

生物質能是世界上容量僅次于石油、煤炭和天然氣的第四大能源，具有環境友好和可再生等優點。生物質能的發展對整個社會的可持續發展具有相當重要的意義［1］

生物質是經過光合作用生成的有機物的總稱，涵蓋范圍非常廣，包括植物、動物、微生物以及生物界新陳代謝產生的有機排泄物等［2］。生物質能是指通過直接或間接的光合作用，部分太陽能轉化為化學能儲存在生物質中的能量。生物質能通常被劃分為木材加工業廢棄物、農林廢棄物、水生或油作物、城市或工廠有機廢棄物以及動物糞便等［3］。生物質能的全球儲量相當大，通過光合作用產生的生物質年產量大約為1700億t，相當于世界主要能源總量的10倍之多，可是，每年的生物質能消耗總量還不足1%，因此生物質能具有巨大的開發利用潛力［4］。如今全世界都在大力倡導節能減排，生物質能毫無疑問是低碳能源發展的最佳選擇之一。因為在整個生物質能的利用過程中，CO2排放量幾乎等于其在生長過程中的CO2吸收量，從某種程度上說，生物質能是一種CO2零排放的可再生能源。而且通過生物質轉換得到的生物炭具有高活性，同時生物質具有揮發分高以及氮、硫和灰分較低等特性，因而在生物質的轉化利用過程中，SOx、NOx和灰的排放量較低［5］。總之，生物質能具備分布范圍廣、儲量大和環境友好等特點。

現在，生物質能在全世界得到大力的發展和利用，見表1-1。近年來生物質能在世界發達區域增長非常迅速，在亞洲地區雖然生物質能的總產量相比其他發達地區落后較多，但是也增長將近3倍之多。表1-2為我國在2005年到2010年的生物質能產量趨勢表，在這6年中，生物質能總產量增長了2倍多。2010年，我國生物質能年產量達到1399ktoe，占世界總生物質能年產量的2.4%和亞洲地區生物質能年產量的43.6%。我國地大物博，具有發達的農業和豐富的生物質資源，同時我國正處于經濟高速發展的黃金時期，對能源的供應需求與日俱增，因此大力發展國內生物質能的利用技術顯得極為迫切［6］。

通常生物質轉換技術被劃分為直接燃燒技術、物理化學轉換技術、生物轉換技術和生物油技術4個大類［8］。這4類生物質轉換技術都處于各自不同的發展階段，其中燃燒和炭化技術已經實現了相當程度的商業化。盡管部分生物質轉換技術已經成熟，但是生物質本身存在分布范圍廣、體積大、含水率高以及低能量密度等特點，導致其在利用過程中的運輸成本居高不下，而且前處理過程十分復雜，使投入—產出比過高，只能使部分生物質利用技術停留在實驗室階段［9］。

為解決上述生物質存在的能量密度低和前處理過程復雜等缺點，目前大量的研究都集中在生物質同煤混合利用［10］以及生物質預處理技術［11-13］的研發上。盡管生物質同煤混合燃燒或混合氣化能夠成為現階段生物質利用的一個較為有效的方式，并能夠有效降低CO2和其他有害氣體的排放［14］，可是，生物質具有纖維特性使其難以磨碎，從而導致生物質在同煤混合利用的過程中不得不克服生物質顆粒大所帶來的約束，大規模燃煤電廠的球磨系統并不適合于纖維特性的生物質的研磨［15］。同時，生物質在氣化和燃燒轉化過程中主要是氣相反應，容易導致生物質和煤在混合轉化過程中燃料特性不匹配的問題［16］。例如，生物質在燃煤電廠中同煤混燃，其產生的大量燃氣會影響燃燒的穩定性并減少煤和炭顆粒的停留時間，增加了可燃物的損失，從而降低了整體電廠效率。因此生物質直接同煤混合利用還有許多亟需解決的問題。

目前生物質預處理技術主要包括制丸、烘焙、熱解等。制丸和烘焙為低溫生物質前處理技術，大體能夠解決常規生物質利用中存在的難磨性和低能量密度等缺點。熱解是一種能夠將生物質深層次地轉化為生物炭、生物油和熱解氣的高溫前處理技術。熱解技術產生的低熱值熱解氣能夠作為維持熱解過程的熱能使用，也能夠作為當地居民生活燃氣使用，而相比于生物質原料生物炭和生物油是高質化能源物質，生物炭還可以進一步提升制備成高附加值的活性炭。可是，生物炭在單獨利用中容易產生高灰塵以及易自燃引發火災，而生物油直接利用也存在熱值低等特性［17］。E.Henrich，F.Weirich等人［18］于2002年提出生物油漿的概念，所謂生物油漿就是將生物質熱解后產生的生物炭經過研磨后懸浮于生物油中制備得到的漿體，生物油漿的提出合理地綜合了生物炭和生物油各自的特性，解決了上述生物炭和生物油在單獨利用中存在的問題。基于生物油漿，Henrich等人也提出后續的利用方式，見圖1-1。具體的流程為，生物質原料經過切碎及干燥預處理后送入快速熱解裝置中在1個大氣壓及500℃左右進行熱解，生成的熱解氣用于熱解裝置，約15%的熱解氣用于發電維持系統的運行，生成的生物炭同生物油混合后泵送入50個大氣壓、1500℃的加壓氣流床中，生成的氣化氣經過清洗合成后發電。

綜上所述，生物油漿的提出能夠在一定程度上解決傳統生物質轉化技術中普遍存在的問題，如生物質難磨性、燃料不匹配性（煤同生物質混燒或共氣化）、生物油熱值低以及生物炭在運輸過程中的易自燃性等，進而能夠降低由生物質本身存在的低能量密度和分布范圍廣等引起的運輸成本高的難題。因此生物油漿十分具有潛力成為生物質大型化和高效化利用的基礎。

與生物油漿具備如此之多優點形成鮮明對比的是，目前關于生物油漿的研究報告和參考資料非常少，對于生物油漿的轉換利用研究更少，這對于從事生物質能大規模和高效率轉換利用研究的工作者來說是一種機遇，也是一種大的挑戰。同直接燃燒技術相比，氣化技術能夠對生物油漿進行梯級利用，對生物油漿中的碳氫元素進行高效的轉化，同時也是一種高效的清潔利用途徑［19］。可是，生物油和生物炭都是十分復雜的物質，尤其生物油是一種含有復雜含氧有機物和水的混合物，幾乎包含了所有的有機物種，如醚、酯、醛、酮、酚和有機酸等［20］。通常，傳統的氣化技術在氣化生物質的過程中容易產生難分解的焦油，堵塞系統管路，污染氣體產物［21］。因此有必要找到一種更好的方法對生物油漿加以利用。等離子體氣化技術就是一個很好的選擇，因為高溫高能熱等離子體流能夠快速地將生物油分解為小分子物質［22］，極大地降低氣化過程中的焦油含量，得到高品質的合成氣。綜上所述，本文將重點研究生物油漿等離子體氣化特性。