Исследования биомассы в моей стране начались в 1980-х годах. Технологии использования и преобразования энергии биомассы в основном включают технологию физической и химической конверсии, технологию биохимической конверсии и технологию термохимической конверсии [7]. Среди них технология термохимической конверсии является исследовательской горячей точкой и основным путем использования технологии преобразования биомассы. Технология термохимической конверсии биомассы делится на технологию пиролиза биомассы, технологию газификации биомассы и технологию сжижения биомассы. Как распространенная форма использования энергии биомассы, технология газификации биомассы может эффективно использовать ресурсы биомассы и производить чистое топливо. По сравнению с прямым сжиганием она имеет хорошие экологические преимущества и использование ресурсов. Газификация биомассы использует воздух, кислород и водяной пар в качестве газифицирующих агентов и проходит реакции сушки, пиролиза, окисления и восстановления при высоких температурах для преобразования в газообразные продукты (CO, H2, CH4, H2O и различные легкие углеводороды и т. д.), жидкие продукты (смола, бионефть, бензин и т. д.) и твердые продукты (кокс). Синтез-газ после газификации может быть использован для производства синтетического масла FT и технологии IGCC для выработки электроэнергии. В настоящее время крупнейшим применением газификации биомассы является когенерация. Первая в мире электростанция IGCC была построена компанией Sydkraft AB в Варнамо, Швеция[8]. Используя древесину в качестве сырья и технологию газификации в циркулирующем псевдоожиженном слое под давлением, эффективность выработки электроэнергии составляет 32%.

2. Новая технология газификации биомассы

2.1 Технология плазменной газификации

Плазма — это четвертое состояние, отличное от твердых, жидких и газообразных форм, также известное как ионизированный «газ», который в целом электрически нейтрален. Технология плазменной газификации в основном подходит для обработки твердых городских отходов, включая оборудование для предварительной обработки сырья, печи плазменной газификации, очистное оборудование и т. д., используя высокотемпературные характеристики плазмы для обеспечения высокотемпературной реакционной среды 4000~7000 ℃, органические соединения термически разлагаются и преобразуются в не содержащий смол высококачественный синтез-газ, что значительно повышает скорость реакции. Преимуществами этой технологии являются низкие требования к предварительной обработке сырья, низкое содержание загрязняющих веществ в синтез-газе, короткое время реакции и простота масштабирования; недостатками является то, что расплавленный материал легко затвердевает в трубопроводе, а расходы на техническое обслуживание и эксплуатацию высоки[9]. Плазменная печь печного типа[10], построенная Институтом физики плазмы Китайской академии наук, генерирует высокотемпературную дугу посредством разряда. Высокотемпературная дуга нагревает газовую среду, протекающую через нее, для генерации плазмы. В условиях дефицита кислорода и высокой температуры сложные, токсичные и вредные твердые отходы полностью разлагаются, открывая новый путь для переработки твердых отходов. 2.2 Технология сверхкритической газификации воды Технология сверхкритической газификации воды (SCWG) - это технология преобразования биомассы с высоким содержанием воды в высококачественный синтез-газ и является новым направлением для эффективного и высокопроизводительного производства водорода. Она была предложена Массачусетским технологическим институтом в середине 1970-х годов. Вода обладает сильной растворимостью в сверхкритическом состоянии 374,15 ℃ и 22,12 МПа. Она растворяет различные органические вещества в биомассе и генерирует высокоплотную, маловязкую жидкость посредством высокотемпературного разложения, изомеризации, дегидратации, крекинга, концентрации, гидролиза, парового риформинга, метанирования, конверсии воды в газ и других реакционных процессов. Он быстро газифицируется в условиях реакции с высокой температурой и высоким давлением и в конечном итоге генерирует смешанный газ, богатый водородом. Преимущество заключается в том, что влажную биомассу можно напрямую газифицировать, не проходя через процесс сушки, что экономит затраты; недостаток заключается в том, что процесс сложен и трудно контролируем, и все еще существует разрыв между экспериментальным и промышленным масштабом. Демирель и др. [11] изучали влияние параметров реакции на производство водорода путем сверхкритической газификации фруктовой мякоти под действием катализатора KOH. Катализатор KOH способствует разложению биомассы посредством реакции переноса воды и газа, подавляет образование смолы и увеличивает производство газа. В то же время KOH захватывает CO2 и переносит водяной газ в направлении образования H2. 2.3 Технология газификации с помощью микроволнового пиролиза Микроволны представляют собой электромагнитные волны с длиной волны от 1 мм до 1 м и частотой от 300 МГц до 300 ГГц, что находится между радиоволнами и инфракрасным излучением. Они обладают большой проникающей способностью и могут проникать глубоко в материал [12]. Традиционная технология пиролиза идет снаружи внутрь, используя теплопроводность, конвекцию и излучение для нагрева. Процесс переноса будет терять тепло, а скорость нагрева будет медленной. Технология микроволнового пиролиза отличается от традиционной технологии пиролиза. Источником тепла является то, что реагенты внутри материала поглощают микроволновое тепло, а затем вращаются, сталкиваются и трутся друг о друга [13], чтобы преобразовать микроволновую энергию в тепло. В настоящее время микроволновый нагрев успешно применяется для обработки и утилизации сырья биомассы, такого как скорлупа масличной пальмы, просо, солома, шлам и сосновые опилки [14]. Преимуществами являются быстрая скорость нагрева, короткое время реакции, высокая тепловая эффективность, сниженное содержание CO2 в продуктах газификации и повышенное содержание H2 и CH4. Недостатками являются низкий выход масла, нестабильные свойства и медленный процесс коммерциализации. Вектен и др. [15] впервые использовали чистый пар в качестве плазменного рабочего газа в микроволновом плазменном реакторе и подробно изучили процесс его преобразования в горючий газ с использованием технологии плазменной газификации. При самой высокой микроволновой мощности 6 кВт степень конверсии углерода биомассы достигала более 98%, а содержание водорода в синтез-газе было богатым, с объемной долей от 45% до 65%. Пар, который не участвовал в реакции, конденсировался для получения синтез-газа с диапазоном теплотворной способности от 10,5 до 12,0 МДж/м³. Принцип технологии микроволновой газификации заключается в том, что воздушный насос подает определенное количество воздуха в микроволновый реактор, а биомасса и микроволновый адсорбент становятся псевдоожиженными и быстро подвергаются реакции газификации. Газообразные продукты, такие как H2, CH4, CO2, H2O и т. д., собираются устройством сбора через конденсатор [16-17].

3.Характеристики когенерации биомассы

В 1980-х годах известный ученый г-н У Чжунхуа предложил концепцию общей энергетической системы, основанную на основном законе преобразования энергии. Руководствуясь принципом всеобъемлющего каскадного использования химической энергии и физической энергии, он отстаивал принцип использования энергии «соответствия температуры и каскадного использования» для соответствия поставки энергии разного качества. Технология когенерации с газификацией биомассы предлагается на основе этих принципов. С точки зрения системы когенерации, теория интеграции технологии когенерации с газификацией биомассы включает три аспекта: концепцию системы, идеи системной интеграции и принципы проектирования системы [18]. Маршрут процесса показан на рисунке 1. Он берет технологию газификации в качестве ядра, интегрирует и оптимизирует эффективные подсистемы в независимых единицах и производит горючий газ, экстракт и биоуголь, что улучшает отходы побочных продуктов, с которыми сталкивается система с одним производством, и считается эффективным использованием энергии.