综述：生物质和生物炭颗粒气化：综述了原料异质性、工艺参数以及合成气质量的协调问题

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Biomass and biochar pellet Gasification: a review of bridging feedstock heterogeneity, process parameters, and syngas quality

　　刘学松|卢丁|于光锁|王富臣 华东理工大学清洁煤技术研究所，上海，200237，中国 **摘要** 化石能源的枯竭和环境问题推动了生物质能源的发展，其中生物质和生物炭颗粒气化成为一种有前景的利用途径。然而，原始生物质的异质性和低效的气化过程阻碍了其大规模应用。本综述系统地总结了生物质颗粒化、碳化和气化的集成过程，重点关注原料变化性、工艺参数和合成气质量之间的平衡。主要发现包括： (1) 颗粒化均匀了原料的物理性质（尺寸、密度、强度），减少了进料堵塞并改善了热质传递；与碳化（热解、烘焙、水热碳化）结合使用后，进一步提高了能量密度（水热碳化颗粒的能量密度超过10 GJ/m3），降低了水分含量（降至5-7%），并减少了污染物（例如，通过400°C热解可去除约40%的氯）。 (2) 气化性能受温度（大多数颗粒的最佳温度范围为700–1000°C）、颗粒大小（较小的颗粒可使H2/CO产量提高10–30%）、加热速率和催化剂的影响；活性铝镁硅酸盐（AAEMs）催化剂提高了炭的活性；镍基催化剂使H2产量翻倍并减少了焦油生成。 (3) 颗粒化-碳化-气化之间的耦合机制表明，定制的颗粒性质（孔隙率、密度）和匹配的反应器/催化剂设计对于优化效率至关重要。新兴趋势包括集成过程强化、针对颗粒的催化剂开发（例如，AAEM促进的镍基复合材料）以及通过监测技术进行实时参数调整。研究不足的领域包括低成本生产低水分原料的颗粒、农业残留物颗粒中的灰分烧结控制以及工业规模系统中催化剂的长期稳定性。本综述为工艺优化提供了理论基础，并通过解决核心技术瓶颈促进了生物质颗粒气化的工业化。 **引言** 化石燃料的枯竭及其环境问题推动了太阳能、风能、水能、生物质能源等可再生能源的探索[1]。其中，生物质能源因其高能量密度和良好的储存性而脱颖而出，有效克服了太阳能和风能的间歇性问题[2][3][4][5]。作为利用生物质能源的有效方式，生物质气化技术面临三个相互关联的技术瓶颈，这些瓶颈限制了其稳定性和大规模应用[6][7][8][9]。主要瓶颈是原料的异质性：原始生物质在尺寸、形状和水分含量上存在显著差异[6][7][8]，导致气化过程中热质传递不均匀，形成局部热点，炭化反应不完全，常常导致进料系统堵塞；即使经过粉碎处理，其较差的流动性仍可能导致反应器内部分布不均，影响合成气的稳定性[10]。其次，工艺适应性也是一个主要挑战：原始生物质或简单粉碎后的生物质与工业气化器设计不兼容[11,12]，其低能量密度和高水分含量会导致显著的热量损失和低温气体效率降低[13,14]；机械预处理本身无法根本改变其化学性质或减少与水分相关的能量损失[15]。最后，操作稳定性也是一个突出问题：生物质的机械强度较低，在进料过程中容易产生粉尘，堵塞喷嘴，影响系统的连续稳定运行[16]。 颗粒化已成为一种主流的预处理方法，它将不规则的生物质转化为均匀的颗粒，降低了运输和储存成本[17]，同时提高了对气化等热过程的适应性[18]。2022年全球木质生物质颗粒产量达到4800万吨（图1）[19]，多项研究验证了其工业价值[20][21][22]。然而，颗粒化仅是一种纯机械过程，无法改变生物质的组成或化学结构[15]，因此需要将颗粒化与碳化结合以进一步提升燃料质量[23]。碳化通过提高能量密度、去除挥发物并将生物质成分（如纤维素）重组为更有利于气化的结构来补充颗粒化[18,24]，这加速了反应速率，改善了合成气质量，并通过生物炭颗粒提供了稳定的碳源，适度的反应性调节了气化动力学和产物分布[25,26]。 现有关于颗粒气化的研究主要集中在气化特性、关键影响因素、热质传递机制和催化剂协同作用上。王等人[27]基于挪威云杉炭的气化实验提出，由于挥发物的释放对催化剂去除的影响以及挥发物与固定碳之间的相互作用，650°C下碳化的炭颗粒比800°C下碳化的炭颗粒具有更低的气化活性。Kuttin等人[28]发现，较小的颗粒比大颗粒具有更高的CO、H2和CH4产量，以及更高的碳转化率、低温气体效率和合成气高位热值（HHV），同时减少了焦油生成；这一优势源于较小的颗粒具有更大的比表面积，从而增强了气体扩散和反应物接触[29]。关于气化温度，胡等人[30]通过城市固体废物颗粒的研究以及Emiola-Sadig等人[31]通过大豆壳颗粒的研究发现，较高温度促进了挥发物的释放、二次裂解和吸热的水-气反应，这些过程增加了H2产量，降低了CO2和CH4含量，并减少了焦油生成。Neuwald等人[32]通过象草颗粒的研究进一步证实了温度对气化效率和气体产量的提升作用。然而，Timsina等人[33]指出，超过800°C的温度会导致草屑颗粒聚集，从而降低碳转化率，强调了选择适宜原料温度的必要性。在热质传递方面，热量驱动颗粒热解和气化，而质量传递则控制挥发物的释放、气体扩散和反应物-产物交换[34]；颗粒的孔结构、尺寸和形状决定了传递效率，较大的颗粒会增加内部阻力，导致温度分布不均和反应不完全[12]。Xu等人[35]发现灰分熔化具有双重效应：表面结渣会阻碍热量和气体传递，降低效率，而内部孔隙的形成可能增强质量传递。在催化效应方面，Emiola-Sadiq等人[36]和Neuwald等人[32]表明，K+离子附着在颗粒炭表面，诱导结构变化形成活性位点，并促进C-C键断裂；同时，K+离子与蒸汽反应生成甲酸，进一步产生H2和CO2。这些研究揭示了颗粒的物理和化学性质对气化过程的深远影响，强调了控制颗粒特性是优化气化效率、提高合成气质量和提升工艺性能的关键。 考虑到颗粒化和碳化在后续气化过程中的关键调控作用，以及生物质颗粒气化的重大意义……