將木屑、枝椏、秸桿等農林剩余物高值化綜合利用替代化石燃料的科技夢想正在成為現實。這是中國林科院林產化學工業研究所所長蔣劍春研究員率領的創新團隊，開展產學研合作，經過10多年的苦心研究，取得的具有自主知識產權的可喜成果——農林剩余物多途徑熱解氣化聯產炭材料關鍵技術。創新集成的農林剩余物多途徑熱解氣化聯產炭材料關鍵技術，已成功地實現了生物質氣化發電、供熱、供氣的產業化應用。該成果獲得了2013年度國家科技進步二等獎。
針對農林剩余物熱解氣化過程中存在的原料適應性窄、系統操作彈性小、運行穩定性和可控性差、燃氣品質低、技術單一、氣化固體產物未高值化利用等問題，蔣劍春率領的研究團隊開展了熱解氣化反應過程的基礎理論、控制機制、反應器新型結構等研究，突破了內循環錐形流化床氣化、大容量固定床氣化、富氧催化氣化、聯產高附加值炭材料等技術瓶頸，創新集成了生物質多途徑熱解氣化及聯產炭材料成套技術，并規模化應用于工業鍋爐的供氣、供熱以及發電等行業。
所謂生物質多途徑熱解氣化，蔣劍春介紹說，就是利用內循環錐形流化床、上吸式氣化爐、下吸式氣化爐三種不同設備和工藝路線，采用最低成本的空氣氣化法，將農林剩余物完全氣化或部分氣化制備燃氣，而部分氣化時可同時生產出高附加值炭材料應用于工業。通過該技術的應用，實現了農林剩余物高值化綜合利用替代化石燃料、減少溫室氣體及其他有害氣體排放的目標。
增加氣化效率和原料適用性
蔣劍春說，通過長期的探索研究，他們創制的生物質內循環錐形流化床氣化等10項技術及裝備分別獲得了多項國家發明及實用新型專利。成功開發了與滿足大顆粒物料流化，但小顆粒物料不被帶出技術要求相適應的最佳錐角的內循環錐形流化床反應器和錐體氣體分布器，提高了系統操作彈性，運行負荷可在25%-100%范圍內控制調節，實現了自動連續排渣、系統連續穩定運行，為創制錐形流化床生物質氣化爐的放大設計提供了科學依據。在國內率先研制出錐形流化床氣化爐，強化了氣化爐內傳質和傳熱過程，加速了生物質在爐內熱解和氣化反應速度，氣化爐頂部設有余熱回收裝置，有效提高了氣化效率。
同時，采用環狀間隙的結構形式分布氣體，氣體流暢無渦流，強化了生物質顆粒的整體循環性，提高了流化床反應器的氣體分布均勻度，增強了氣體與固體的接觸效果，減少了氣泡的形成，改善了流化質量。與傳統分布板結構相比，新技術操作簡單方便，有效防止了爐內局部過熱與結渣，避免了原料夾帶雜質造成分布器的結渣和堵塞，能更好地氣化熱焓低、灰分高、易結渣的軟秸稈等原料，并副產農業秸稈炭，可用作農業有機肥，從而達到疏松土壤、保持水土、提高地熱和產量的目的。
提高能源利用率，減輕勞動強度
開發的雙料倉式連續加料、新型縮口結構、適用枝椏與秸稈等塊（片）狀高含水率原料的上吸式氣化爐，能源利用率比直燃供熱提高40 %以上。所研制的上吸式木材氣化爐，是我國機械化程度和控制水平最高、并在生產中實際使用的木材氣化爐。與直接燃用木材相比，效率提高了近一倍，節約木材30%以上，蒸汽價格降低30%。解決了單機規模小、塊（片）狀物料連續加料難、原料含水率高（最高達到45%）適用性低等難題。此技術可用于蒸汽鍋爐供熱。能明顯減輕工人勞動強度，減少環境污染。
針對含水率在20%以內的農林剩余物原料，開發出了螺旋星型雙級組合密封、矩型混合進氣、空氣定量引射干餾氣可控回流的下吸式氣化爐，實現了氣化介質與生物質原料混合均勻、氣化系統密封、防止偏流。解決了固定床氣化爐規模放大的問題，單機發電規模達800千瓦以上。生物質立式組合氣化爐、生物質固定床氣化爐等12項技術獲得了授權發明及實用新型專利。
降低焦油含量，提高可燃氣熱值
開發出生物質富氧氣化新工藝，使燃氣熱值提高到了9兆焦耳/標準立方米以上，降低了燃氣使用設備、管道等的投資，使生物質燃氣得到了更為廣泛的應用。創制研究出了以白云石為載體，復合鎳和鐵活性組分的催化劑。自主創制的鎳基雙金屬白云石基復合型催化劑，具有催化活性高、強度好、制備方法及工藝應用簡單等優點，使焦油轉化率提高到了99%以上，焦油含量降至10-50毫克/標準立方米。
提高農林剩余物附加值
通過研究和探索，他們首次發現了微晶結構演變規律和石墨化轉折點溫度為700℃，為炭材料的選擇性利用提供了理論依據。創制的熱能自給型連續炭化新技術，產品質量的穩定性與均衡性均優于傳統制炭技術，生產周期由140小時縮短至36小時，產品得率從15%提高至25%，優級品率從20%提高至70%，產品熱值達31兆焦耳/公斤，產品質量超過了國家標準優級品指標，并出口日本、韓國等國家。
應用前景廣闊
國內同行專家認為，該技術成果的成功開發和推廣應用，為各種農林生物質原料的高效能源轉化利用，提供了一條很好的途徑，具有良好的推廣應用前景和顯著的經濟效益和社會效益。
該創新團隊十分注重科研與成果轉化的銜接，在項目研究的同時，進行了市場的開發和產業化建設。目前，運用該技術成果，已成功建成了世界上最大規模的、利用生物質燃氣供熱的、年產5000噸的化學法活性炭示范生產線。自2000年起，建成了不同規模、分布式利用的農林剩余物多途徑熱解氣化工業化裝置計190臺套，已在北京、安徽、山東、遼寧等地推廣應用，并出口英國、意大利、日本、馬來西亞等10多個國家。近三年來，累計綜合經濟效益約27億元；利用農林生物質約180萬噸，替代燃煤100余萬噸，減排二氧化碳約250萬噸、二氧化硫分別3萬噸，增加就業崗位6000個以上。獲得授權發明專利11項、實用新型專利22項；制定相關國家標準2項。
蔣劍春說，該技術日趨成熟，但目前技術的應用還主要局限在林業領域，農業領域涉及得較少。而農業生產加工的剩余物（廢棄物）更豐富，每年多達數億噸。他們希望在政府的扶持幫助下，依靠社會各界的力量，進一步完善技術，以承擔起更多的社會責任，并通過積極擴大應用范圍，從工程化、規模化的角度開展推廣使用，以促進解決國家的能源結構調整。進入“天然氣官網”是他們的理想目標。
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