随着人类文明的飞速发展，能源需求急剧增加，导致化石能源的过度消耗。这些能源的燃烧释放了大量二氧化碳，尽管部分被植物光合作用和海洋吸收，但仍有接近一半的二氧化碳残留在大气中。这些残余的二氧化碳成为导致全球变暖等生态问题的主要温室气体之一。因此，寻求可再生清洁能源来替代传统能源，成为解决生态危机和能源供应问题的迫切需求。
在众多可再生能源中，生物质能源因其独特的优势而备受关注。它不仅来源广泛、价格低廉，而且通过光合作用具有可再生性，是一种理想的清洁能源。热化学转化技术是生物质能利用的主要手段，其中包括燃烧、热解、气化和液化等方法。其中，生物质气化技术因其能够将固体燃料转化为可燃性气体，被视为一种极具前景的可持续能源解决方案。
与直接燃烧生物质相比，生物质气化后产生的合成气更为高效和清洁，燃烧后的废气占比更低。此外，气化过程中还能实现去杂提纯，进一步提升能源品质。然而，焦油作为生物质气化的副产物，其存在会带来一系列问题。这些复杂的多芳族烃在高温下常与合成气一同出现，可能导致气溶胶和烟灰的形成，甚至在气化系统下游较冷设备处冷凝成液滴，堵塞和腐蚀设备。
为了克服这些问题，研究人员已经进行了大量研究，以实现低焦油、高合成气产品的生物质气化系统。他们采用催化剂裂解焦油产生更多合成气，向气化系统中通入蒸汽、二氧化碳或氧气来调节气体产品中氢气和一氧化碳的比例，并不断改进传统气化技术。这些努力已经取得了显著成效，为生物质气化技术的进一步发展和应用奠定了基础。
本综述将对这些气化技术进行详细的讨论，以对这些技术的工作原理、优势和限制以及最新的研究进展有一个全面的了解。这将对我们在气化技术选择和优化中提供有价值的指导。
生物质气化是一种高效利用生物质能的技术，通过将生物质原料送入气化系统并控制其气化反应，转化为合成气。然而，在实际操作中，气化过程可能会遇到焦油、焦炭等副产物的产生，这些问题可能导致设备腐蚀、堵塞以及气化效率降低。为了克服这些挑战，我们可以通过调整气化过程的操作参数以及优化生物质原料的预处理来改善气化效果。
1. 操作参数的优化
1.1.1 气化温度
气化温度是影响气化系统性能的关键因素之一。适当提高气化温度可以加速气化反应，提高产气量和气体品质。然而，过高的温度可能会导致能耗增加和设备寿命缩短，因此需要找到最佳的气化温度。
1.1.2 当量比
当量比是指实际供应的空气量与理论所需空气量的比值。调整当量比可以影响气化反应的平衡和产物组成。适当的当量比可以提高气化效率和气体产物的可燃性，但过高的当量比可能导致气体中固体和液体产物的含量降低，影响气体品质。
1.1.3 气化剂
气化剂在生物质气化过程中起着关键作用。选择合适的气化剂可以影响气化反应的效率、产物组成和产率。例如，使用水蒸气、二氧化碳或氧气作为气化剂可以调整气体产物的组成和性质。
2. 生物质预处理
生物质预处理是通过物理、化学或生物方法改善生物质的气化性能。预处理可以改变生物质的物理和化学特性，提高其气化效率和气体品质。
预处理可以改变生物质的颗粒度、表面积和纤维素、半纤维素的结构，使其更易于气化。这些改变可以提高气化反应的速率和效率，减少副产物的生成。
生物质中的水分含量对气化反应有很大影响。过高或过低的水分含量都会影响气化效率和气体品质。通过干燥或加水处理控制生物质的水分含量，可以优化气化效果。
预处理可以改变气化产物的组成和分布。例如，焙烧预处理可以降低生物质的挥发分含量，提高能量密度和可磨性，减少烟尘和积碳的生成。这有助于改善气化产物的品质，降低后续处理的难度。
通过优化气化操作参数和生物质预处理，我们可以有效改善生物质气化的效果，提高气体品质和产率，减少副产物的生成，为生物质能的高效利用提供有力支持。
２气化技术
２.１共气化单一生物质气化存在诸多局限性，比如合成气产率低、原料的获取受季节影响等。生物质共气化是指将生物质与其他物质一同放入气化炉进行气化，一方面原料之间存在着协同作用，在提高气化效率的同时减少焦炭或焦油的产生；另一方面生物质与废弃物进行共气化是一种处理废弃物的有效且有益的技术，同时共气化技术可以利用多种能源进行气化，提高了资源利用率，气化产物的质量也相对较高，解决了传统生物质气化技术只能利用单一能源的问题。由图１可看出目前对生物质共气化的研究内容主要为三部分：气化物质、气化剂的选择与优化、催化剂的选择与优化。通过对这三部分进行选择优化，获得最优的气化效率。
图：共气化研究概图
用于共气化的组合包括生物质／塑料、生物质／污水污泥、生物质／煤和煤／塑料等。共气化的主要优势是其增加气体产品组成的灵活性程度，通过调节生物质原料的掺杂比是调节气化产物组成与占比的有效手段。某些金属添加剂对生物质共气化系统中气体产物组成也有显著的影响。
生物质共气化利用了原料气化产物之间的协同作用提高了气体产率、减少了焦油等副产物的生产。金属添加剂、有机溶剂、原料掺杂比等各种因素可以进一步提高气化效率。但共气化技术需要解决不同材料混合气化的复杂性和产物的分离问题。
２.２化学链气化
化学链气化技术利用多级反应对生物质进行气化，气化效率高，产物质量高，同时可以通过多级反应实现对产物的精细调控，解决了传统生物质气化技术产物质量不稳定的问题。化学链生物质气化主要的研究内容与研究方法见图２所示，载氧体的研究更是该领域的研究热点。
图：化学链气化研究概图
生物质化学链气化（BCLG）与化学链燃烧类似，均由空气反应器、载氧体（OC）和燃料反应器三部分组成。
２.２.１载氧体载氧体在BCLG系统中扮演着重要的角色，已有许多学者对其进行了大量研究。主要研究的载氧体类型有单金属载氧体和复合金属载氧体以及一些其他类型的载氧体，包括天然矿石载氧体、磁性材料载氧体等。
２.２.２空气反应器与燃料反应器燃料反应器主要是用来将金属载氧体还原为低价态，并将为生物质的燃烧提供氧气；空气反应器主要是用来将低价态的金属氧化为初始价态。因此通过调节空气与燃料反应器的温度与压力可以提高气化的效率。升高燃料反应器的压力降低了合成气产率，由于燃料反应器中的反应为吸热反应，所以温度升高会促进合成气的产生。升高空气反应器的温度同样会促进气体的转化率，但温度过高会导致载氧体结构破环，发生凝聚现象。
２.２.３生物质气化的中间产物与载氧体的相互作用生物质气化的中间产物有焦油、挥发分等组成，研究载氧体与中间产物的相互作用，对生物质原料对载氧体的适配选择具有重大意义。
3. 微波辅助气化技术
微波辅助气化技术是一种创新性的生物质能转化方法，它利用微波的独特性质直接作用于生物质颗粒，实现了内部高效加热和快速气化。微波能量的独特穿透性使其能够均匀分布在生物质内部，促进了生物质热解和气化的效率。与传统的外部加热相比，微波辅助气化具有更高的能效，减少了热能的散失，并且能够快速响应，实现温度的精确控制。该技术适用于多种类型的生物质，显示了较强的灵活性和适应性。
微波能量作用于生物质主要通过两种机理：离子传导和偶极子转动。这些机理促使生物质中的离子发生碰撞，产生热量，进而引发气化反应。然而，由于生物质本身对微波的吸收能力有限，研究者们通常添加活性炭或金属氧化物作为微波吸收剂，以增强生物质的微波吸收能力。微波辅助气化技术可以细分为传统微波辅助气化、微波诱导等离子体气化和催化微波辅助气化等，每种技术都有其独特的优点和适用范围。
超临界水气化（SCWG）
超临界水气化是一种前沿的生物质转化技术，它利用水在超临界状态下的特殊性质（即温度和压力高于临界点）促进生物质的分解和气化。在这种环境中，水变得高度氧化，能够有效加速生物质的反应速度，并产生高品质的气体燃料和其他化学产品。特别适用于高湿度生物质，因为无需额外的脱水步骤，简化了整个气化流程。
尽管SCWG在生物质转化方面显示出巨大潜力，但由于其复杂的设备和操作条件，增加了投资成本和操作风险。因此，目前只有少数研究机构致力于生物质SCWG的研究和应用。
生物质气化的工程应用
生物质气化技术已在全球范围内得到了广泛的工程应用，主要领域包括供热/窑炉、热电联产以及合成燃料的生产。近年来，合成燃料成为生物质气化技术的一个新兴发展方向。
在中国，生物质气化技术也在工程应用领域取得了显著进展。特别是在生物质气化合成液体燃料方面，虽然仍处于发展阶段，但已有一些机构取得了重要突破。例如，广州能源研究所已成功开展了生物质气化合成含氧液体燃料的实验研究，并建立了百吨级生物质气化合成二甲醚的评价系统和中试装置。在国家科技项目的支持下，还成功打造了千吨级生物质气化合成醇醚燃料示范系统，这些成果为中国生物质气化合成液体燃料技术的发展奠定了坚实的基础。
生物质作为传统化石燃料的替代者，其潜力巨大。在生物质能利用的技术中，生物质气化技术尤其引人注目，因为它能够通过技术改进实现低焦油、高合成气的目标。本文综述了生物质气化技术的多种方法，包括传统气化、共气化、化学链气化、超临界气化、微波辅助气化和等离子体气化。
（1）不论采用哪种气化技术，通过精细调控气化过程中的关键参数，如气化温度和当量比，以及添加适当的催化剂，都可以显著提高生物质的气化效率和产物质量。此外，对生物质进行预处理，如烘焙和干燥，也能有效改善其气化性能。
（2）共气化技术通过混合生物质与其他燃料源（如煤或有机固废），利用它们之间的互补性，实现了气化效果的显著提升。这种技术的关键在于合理调配不同原料的混合比例，以实现系统的最佳运行。
（3）化学链气化技术以载氧体为核心，为气化过程提供必要的氧气和能量。寻找高效、稳定的载氧体，是提升该技术效率的关键所在。
（4）微波辅助生物质气化技术利用微波能量均匀加热生物质，实现高效气化。然而，由于生物质本身的特性，其吸收微波的能力有限。因此，研究如何提高生物质对微波的吸收能力，将是推动这一技术发展的关键。
展望未来，生物质气化技术在工程化应用领域具有巨大的发展空间。它可以将生物质转化为包括氢气和一氧化碳在内的合成气体，用于发电、供热和液体燃料生产。同时，生物质气化技术还能实现低碳排放，减轻环境压力。此外，由于生物质气化设备可以靠近生物质资源建设，这有助于减少能源输送损失，提高能源效益。更重要的是，它能够将生活垃圾、农业废弃物等废物转化为能源，实现废物的资源化利用。
因此，在生物质气化技术不断发展和广泛应用的大背景下，未来的研究应聚焦于提高合成气的质量、技术的易实施性、经济性和环保性等方面，以实现生物质气化技术的持续创新和发展。
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