科创中国

行业领域

新能源及节能技术

需求背景

生物质气化作为生物质能源开发和清洁利用的有效途径，该项技术符合《中华人民共和国节约能源法》、《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》（国办发[2008]105号）、《关于开展生物质成型燃料锅炉供热示范项目建设的通知》（国能新能[2014]295号）和《关于印发广东省工业锅炉污染整治实施方案（2012年-2015年）的通知》（粤环[2012]75号）等国家及地方的法律法规、政策文件的要求，同时，国家环境保护部还将生物质气化技术作为生物能源工程列入《国家鼓励发展的环境保护技术目录》。

可燃冰（是天然气水合物的简称，英文名Gas Hydrate）分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压、低温条件下形成的类冰状的结晶物质。

可燃冰，是天然气在一定的温度和压力作用下结晶而成的“冰块”。甲烷含量占80%～***%。可用mCH4·nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数(也就是水分子数)。

可燃冰燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多，而且储量丰富，全球储量是煤、石油、天然气的两倍，因而被各国视为未来石油天然气的替代能源。

目前，30多个国家和地区已经进行“可燃冰”的研究与调查勘探。2017年5月18日，中国首次海域天然气水合物(可燃冰)试采成功。2019年3月26日，中国地质调查局，在我国海域可燃冰第二轮试采取得成功，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大突破。

1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和***立方米的水。开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。在同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数10倍，说明“可燃冰”的热值很大。

可燃冰燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。

因此可燃冰是未来煤炭、石油、天然气等化石能源的替代能源。按中国可燃冰调查研究和技术储备发展现状，预计我国在2030年左右有望实现可燃冰商业化开采。广东省经济的高速发展对能源的需求越来越多,日益严格的环保要求大力发展清洁和可再生能源。煤炭由于其自身的污染性在绝大部份场合被禁止使用,天然气和柴油等清洁能源价格昂贵，使许多企业不堪重负；生物质燃气清洁，可再生，运行成本远低于天然气和柴油等清洁能源，已经成为企业的首选能源。

需解决的主要技术难题

生物质气化作为一种重要的新能源技术，其研究及设备的开发需要重点研究。本项目将解决以下几大难题：

（1） 可燃冰提高生物质颗粒燃料气化转换效率

生物质气化转化率直接关系到与常规能源的价格竞争优势问题，对产品的市场推广影响巨大。本项目通过计算机数值模拟以及结构优化，利用可燃冰的高燃烧值的特点，热空气助燃技术，进一步优化热解气化技术，提高生物质气化效率达80%以上。

（2） 运用可燃冰降低燃气焦油含量。

焦油容易造成输气系统堵塞，使输气管道、阀门等工作不正常，加速其老化，而采用复杂的燃气净化处理，又会增加前期投资和运行成本。所以，控制焦油的产生至关重要。一方面，焦油的产生与生物质的种类，气化发生温度和气化速率等因素有关。因此，在燃烧中加入可燃冰提高生物质气化效率，有效控制焦油的产生，针对这些特点，设计改进原有控制系统，使得新系统能够更加智能地针对不同生物质类型、用气量的做出调整，最终保证焦油含量严格控制在较低水平是要进一步研究的工作。

环峰能源利用焦油在低温时能够冷凝的特性，根据上吸式气化炉的特点，采用较厚料层的气化方式。一方面可以防止燃料层烧穿，另一方面利用厚度较大的生物质原料层对燃气进行过滤，充分冷却燃气，使得焦油被吸附在未反应的生物质上，并对生物质进行预热。

（3）研发生物质混合可燃冰的燃气高效专用燃烧器，实现洁净排放

气化燃气中含有一些有害气体和微量粉尘，必须在燃烧过程中加以消除，满足环保要求。本项目采用全预混旋风式燃烧器，使生物质气和助燃空气在燃烧器内充分混合后再喷入锅炉炉膛强烈燃烧，彻底去除有害气体及粉尘，各项指标均可达到天然气排放标准。

（4）可燃冰提高生物质气化转换率和燃气热值。

生物质气化系统的气化转化率直接关系到生物质能与常规能源的价格竞争优势问题，对产品的市场推广影响巨大。所以，提高气化转换率是该气化系统的重点研究方向。特别是针对生物质原料来源广泛，热值和含水量变化较大，对产气率影响较大的问题，除了对原料进行预处理，优化气化炉自身的调节也很重要。另外以水蒸汽作为气化剂可以提高产气的热值。

由环峰能源已经运行的气化系统所积累的经验可知，相同生物质燃料条件下，空气当量比(ER)对气化转换率和燃气热值影响最大。空气当量比(ER)为生物质气化实际供给的空气量与生物质完全燃烧理论所需的空气量之比。气化转换率随着ER增加而增加，但N2在燃气中比重增加，使得燃气热值下降。本技术采用热空气助燃气化技术，从而能在较低空气量供入的情况下提高气化效率及燃气热值。

环峰能源采用回收气化炉余热的方法产生蒸汽和热水供气化之用，与传统的冷空气气化炉相比，气化转换率和燃气热值都将极大提高。

（5）防止燃料层燃烧不均匀的问题。

燃料层烧穿、烧偏容易造成部分燃料不能充分气化，生物质灰渣不能截留在炉内，系统运行不稳定甚至停炉的不良后果。燃料层烧穿主要是由于堆料分布不均，炉内通风不均造成。环峰能源通过采用多风道进风方式，能够改善进风的分布，加入甲烷气体助燃，结合炉内多区域的温度测量数据，可以通过控制不同区域的进风量改变气化发生速率，从而防止燃料层烧穿。另外，还结合上吸式顶部进料的特点，通过中心炉胆下料，增加料层厚度，对炉内消耗速度快的区域多添加原料进一步防止燃料层烧穿。

（6）加料过程密封问题。

要实现生物质气化炉的连续运行，就必须保证生物质燃料可以连续添加到气化炉内。但上进料的系统特点决定了其密封性能比下进料采用蜗杆旋进挤压燃料的密封性能差。

因此，环峰能源采用二级进料的方式，原料预先送入临时储料罐，再由临时储料罐传送至炉内进行气化。这样一方面保证进料连续稳定，另一方面能够保持炉内的气化压力。

（7）提高生物质燃料种类适应性。

生物质燃料种类丰富，主要区别在于外型和热值。生物质外型过大影响进料，必须通过预处理才能使用，蜗杆旋进式的底部进料方式对燃料外形要求较高。所以环峰能源使用上进料方式以扩大燃料种类。并且，结合炉内不同区域的温度监控，控制系统可以根据不同的燃料燃烧情况改变气化剂的流量，使系统运行稳定高效。

（8）针对可燃冰的特点，研究解决可燃冰作为锅炉燃料燃烧时遇到的相关问题

1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和***立方米的水。在同等条件下，可燃冰的燃烧热值很大，完全燃烧放出的热量是煤气的数10倍。根据可燃冰的这些特点，作为锅炉燃料，将采取燃烧时进行预处理，燃烧室进料口改造，解决气化水的排出问题，优化燃烧室，减少水分子对可燃气体燃烧效率的影响。

期望实现的主要技术目标

在原有生物质（颗粒）热解新技术成套装置基础上进行的再开发，通过收集秸秆等农林脚料，结合可燃冰的特点，实现生物质燃气取代化石燃料应用于工业炉窑/锅炉，以较大的规模，较快的速度使生物质燃气技术及装置实现产业化、系列化。生物质气化作为一种热化学转化技术，可将体积庞大，能量密度低、不易燃烧或燃烧效率低的生物质原料转化为能量密度高、适于储存、运输和使用的气体燃料，极大提高能源利用品位和利用效率，同时也拓宽了生物质能的利用范围。其所产生的燃料气，可以供生产、生活直接使用，可以通过内燃机、燃气轮机等发电，实现联产联供。实现生物质能的高效清洁利用。

具体的重要创新特征如下：

（1） 项目开发的产品具有对生物质普遍适用性。该项目研制的气化系统采用物料自炉顶投入炉内，气化剂由炉底进入炉内参与气化反应，对于一般大块物料可以不经预处理直接使用。材质可以适应成型生物质颗粒、棕榈壳、木片、规则木棒、农林废弃物成型料、成型污泥、成型可燃垃圾，尺寸长/宽/高 3-15cm/2-5cm/2-15cm均可，含水量最高可以达到30%。 这样不但节省了预处理生物质的费用，而且极大拓展了使用的生物质种类；

（2）通过添加可燃冰，进行热平衡测试、热效率计算以及结构优化，进一步优化热解气化技术，提高生物质气化效率达80%以上；

（3）通过控制反应温度、压力和气相停留时间、料层厚度等参量，加入燃烧值更高的可燃冰，有效减少燃气中焦油含量并提高燃气热值，确保生物质气化炉连续稳定运行两个月以上，而传统气化炉一周左右就要停炉清理管道中的焦油；

（4）采用生物质燃气专用燃烧器，燃烧后产生的烟气可直接排放，各项指标可达到天然气排放标准，可在任何地区使用，环保效益显著。

（5）气化过程最终排出的残渣是生物质气化后形成的焦炭。焦炭是一种富碳固体，挥发分含量较少，可用作烧烤碳、活性炭、蚊香等原材料使用，有专门的企业收购。实现了污染物零排放，是循环经济的典范。

（6）气化炉的加热系统无需外部热源，一部分生物质燃料在气化炉内膛燃烧，产生的热量供生物质气化。这样节约了能源并简化了系统，节省的设备成本。

（7）系统具备先进的运行监控与操作。在气化炉炉膛内部和炉壁上布置有多个温度测点，以监测整个反应器内温度分布情况，并指示气化炉的运行状态。这样可有效监测整个反应器内温度分布，指示反应器的运行情况。该运行监测与控制系统，主要包括布置于气化炉内外的各个温度、压力监测点、煤气流量计和中央显示控制设备，对气化系统各运行参数进行监测和对运行过程进行控制。目的是实时了解系统的运行情况，对运行状态和发生的故障做出判断及反应，并对运行人员发出警示和操作指令等。这样，系统运行的操作也就相对简单与安全。

（8）研发、改进适合可燃冰作为能源燃烧的相关设备，为将来可燃冰的产业化垫定基础。

需求解析

解析单位：广东省广州市 解析时间：2024-01-17

柯锐鹏

广州市科学技术协会

部长，博士

综合评价

此描述已足够清晰以便于专家进行需求跟进，资源评估与开发技术需求：生物质气和可燃冰储量的评估是开展研发应用的基础，需要开发适用于不同地质条件下的资源评估方法，并提高预测精度。此外，针对生物质气和可燃冰开采、提取等环节，需要开发相应的开发技术。 提取与转化技术需求：生物质气和可燃冰都属于非常规能源，其提取与转化技术需要进一步研发和优化。例如，生物质气的提取技术可以包括厌氧发酵、气化等；而可燃冰的提取技术可以包括水合物分解、压裂等。同时，还需要研究如何将提取的生物质气和可燃冰进行有效的转化利用。 储存与运输技术需求：生物质气和可燃冰的储存与运输是关键环节，需要研发相应的储存和运输技术。生物质气可以采用压缩或液化等方式进行储存和运输；而可燃冰的储存和运输则需要解决水合物的稳定性问题。 清洁利用技术需求：生物质气和可燃冰的清洁利用是可持续发展的关键，需要开发高效的清洁利用技术。对于生物质气，可以考虑其在电力、热力和燃料等方面的清洁利用；对于可燃冰，可以考虑其在天然气替代、燃料电池等领域的清洁利用。 环境影响评估与管理技术需求：生物质气和可燃冰的开发与利用可能对环境造成一定的影响，需要进行

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解析单位：广东省广州市 解析时间：2022-10-14

柯锐鹏

广州市科学技术协会

博士、部长

综合评价

此描述已足够清晰以便于专家进行需求跟进，生物质气化是利用空气中的氧气或含氧物做气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的可燃部分转化为可燃气(主要是氢气、一氧化碳和甲烷)的热化学反应。20世纪70年代，Ghaly首次提出了将气化技术应用于生物质这种含能密度低的燃料。生物质的挥发份含量一般在76～86%，生物质受热后在相对较低的温度下就能使大量的挥发份物质析出。为了提供反应的热力学条件，气化过程需要供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧，尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气中，气化后的产物含有H2、CO及低分子的CmHn等可燃性气体。整个过程可分为：干燥、热解、氧化和还原。理论上不需要跨行业专家共同解决。

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