本书所做的研究为该气化方法的发展打下了基础，但由于时间有限，模型模拟的数据与实验数据吻合度有待进一步提高，同时，模型的具体效果需要实践来进一步验证。今后的工作中，以下几方面有待提高：

（1）本书建模过程中，无论是热力学平衡模型还是综合数学模型，都用到了很多简化、假设以及前人所提出的方法，虽然这些简化、假设和方法都是在尽可能与现实接近的情况下做出的，或是针对某种具体的炉型提出的，在不同炉型中其通用性有待进一步验证，但这些不确定性会影响模型模拟结果的准确度，所以对于本书所研究的模型需要进一步完善，以提高预测的精度。

（2）气化剂在气化炉中与固定碳和碳氢化合物反应，将其转化为低分子量的气体，如CO和H2。用于气化的主要气化剂有O2、水蒸气、空气等。

O2是一种常见的气化介质，它可以以纯氧的形式或通过空气供应给气化炉。在气化炉中所产生的气体热值与其所使用的气化剂的性质和数量有密切的关系。

生物质的C－H－O三元图（图6.1）能够清晰地表示生物质的气化过程。三角形的三个角代表C、O2和H2。三角形内的点表示这三种物质的三元混合物。与具有纯组分（C，O2或H2）的角相对的一侧表示该组分的浓度为零。例如，图6.1中与氢角相对的三角形底边表示H2浓度为零，即碳和氧的二元混合物。与煤相比，生物质燃料更靠近H2和O2的角，这意味着生物质比煤含有更多的H2和O2。在生物质中，与纤维素和半纤维素相比，木质素通常含有较低的O2和较高的C。泥炭位于生物质区域，但朝向碳角。这意味着它就像高碳生物质。如前所述，三元图可以描述转换过程。例如，碳化或缓慢的热解通过形成固体碳将产物移向碳。快速热解将其移向H2，而远离O2，这意味着液体产物更高。O2气化将气体产物移向氧角，而蒸汽气化则使该过程远离碳角。氢化过程增加了H2的浓度，因此使产物向氢角移动。

图6.1　生物质的C－H－O三元图表示的气化过程

如果将O2用作气化剂，则转化路径向氧角移动。其产品包括低氧含量的CO和高氧含量的CO2。当O2超过一定量时，该过程将从气化转变为燃烧，并且产物为烟气而不是燃气，烟气中不包含剩余热值。在气化过程中朝三元图的氧角移动（图6.1）会导致H2含量低，并且产物气中的碳基化合物（如CO和CO2）将会增加。

蒸汽用作气化剂，则该过程将向上移至图6.1中的氢角，产物气体中每单位C将包含更多的H2，将会出现更高的H／C比。

气化剂的选择也会影响产物气的热值。例如，如果使用空气代替O2，则其中的NO2会稀释所产气体的有热值成分，从而降低产品气的热值。在不同的气化中，O2气化的热值最高，其次是水蒸气气化和空气气化。空气作为气化介质，主要由于NO2的稀释作用，导致产成气中的热值最低。

本书中只研究了以水蒸气作为气化剂，空气作为助燃剂的间歇气化过程，以后工作中应当完善其他气化剂和助燃剂在该工艺上的应用研究，以拓展该工艺的应用领域。

（3）在生物质的热化学转化中使用催化剂可能不是必需的，但在以下两种情况下可以提高气化反应的质量：①从产品气中去除焦油，尤其是在下游应用或安装设备时认为必须去除焦油的情况下；②降低产品气中的CH4含量，尤其是合成气是用作化工原料时。

焦油重整的需求推动了催化气化的发展。当产物气体通过催化剂颗粒时，焦油或可凝的烃类物质可以用蒸汽或CO2在催化剂表面重整，从而产生额外的H2和CO。反应可以表示为以下简单形式：

蒸汽重整反应（6.1）：

CO2重整反应（6.2）：

由反应（6.1）可知，通过催化焦油重整反应可以获得更多的燃料气体，而不是焦油或飞灰。气体产率和产物气体的热值均得到改善。去除焦油的另一种方法是热裂解，但它需要在高温（约1 100℃）下才能发生，并产生烟气和飞灰，因此，热裂解无法利用焦油中的能量，相对而言，催化重整是去除焦油的最佳方式。

在第二种情况下，需要催化气化从产物气中除去CH4。为此，可以使用CH4的催化蒸汽重整或催化CO2重整反应。重整反应对于合成气的生产非常重要，对于化工原料定位的合成气中往往不能含有CH4，并且需要产品气中的CO和H2的比例精确。在蒸汽重整反应中，甲烷在金属基催化剂存在下与700～1 100℃温度下的蒸汽发生反应（6.3），将其重整为CO和H2：

该反应被广泛用于甲烷制氢，镍基催化剂对此非常有效。

甲烷的CO2重整反应（6.4）在工业应用上不像蒸汽重整那样广泛使用，但是它具有一个非常重要的特点，那就是在同一反应中可以减少两种温室气体（CO2和CH4）。

选择重整反应的催化剂时要考虑到它们的目的和实际用途。去除焦油的一些重要催化剂选择标准如下：催化剂的效率、催化剂的抗积炭和烧结失活能力、催化剂的再生能力、催化剂的硬度及耐磨性和催化剂的价格。

在去除甲烷时，选择催化剂除了满足上述标准外，还应满足以下条件：CH4的重整能力和可以产生合成气工艺所需的CO与H2的比值。

催化剂既可以在气化之前将其浸渍在生物质中，也可以像流化床一样直接添加到反应器中，这样应用催化剂后可以有效地减少焦油的产生。也可以将催化剂置于气化炉下游的二级反应器中，以重整焦油和CH4。这种在二级反应器进行催化重整的反应方式具有可独立控制反应温度的优点，可以保证重整反应在最佳温度条件下进行。(www.daowen.com)

生物质气化中的催化剂分为三类：

第一类为稀土催化剂：白云石（CaMg［CO3］2）对焦油处理非常有效，而且价格便宜且可广泛获得，从而消除了催化剂再生的需要。将其与生物质混合可以用作主催化剂，也可以在二级的重整反应器中用作辅助催化剂。经过煅烧的白云石比未加工的白云石催化效果更好，但是，这两者都对甲烷重整反应的催化作用不明显。其主要作用是对CO2进行重整，而且对CO2重整反应的速率比蒸汽高。

第二类为碱金属催化剂：在生物质气化中K2CO3和Na2CO3作为主要催化剂是很重要的，而且K2CO3比Na2CO3的催化效果更好。与白云石不同，它们可以通过重整反应还原产物气中的CH4。许多生物质类型的灰分中都含有K元素，因此它们可以通过K的催化作用，减少焦油的产生，但是，由于K在流化床中会发生团聚，因此会抵消其催化作用。

第三类为镍基催化剂：镍作为重整催化剂非常有效，可用于减少焦油以及通过甲烷转化来调节CO／H2比。镍基催化剂通常不直接使用在气化炉中，通常在780℃的二级重整反应器中使用时，它的性能最佳。碳沉积物会使得使镍基催化剂失活，这是这一类催化剂的主要问题。

本书所建模型中并没有涉及催化剂，在以后完善气化模型过程中，应将催化剂加入模型中，基于前人的研究成果，重点研究催化剂在本书所涉及的生物质与煤复合串行气化工艺中的作用机理以及使用催化剂的最佳方案。

（4）气化过程中污染物的产生是不可避免的，特别是焦油的产生一直是气化工艺中必须重点考虑去除的污染物。它不仅污染环境，而且可能导致设备堵塞而无法稳定运行，目前常见的处理焦油的方式有两类，一类是物理去除法，另一类是焦油裂解法。

物理去除法。这种方法类似于从气体中清除灰尘颗粒。它要求焦油在分离前先冷凝。用这种方法除去的焦油通常在20%～97%之间变化。焦油的能量在此过程中将会损失，因此焦油会以雾状或液滴形式残留在气体中的悬浮颗粒上。物理去除焦油的设备主要包括旋风除尘器、隔栅型过滤器、湿式静电除尘器（ESP）、湿式洗涤器等。

旋风除尘器的黏性不强，对于直径小于1μm的较小的焦油颗粒，旋风分离器不是很有效，但旋风除尘器对于从产物气体中除去其他固体颗粒是很有效的。

隔栅型过滤器以建立物理屏障方式保证气体通过的同时，阻止焦油和其他固体颗粒的通过。隔栅型过滤器的特殊特征之一是其表面上涂覆适当的催化剂以促进焦油催化裂化。通常这种过滤器有两种类型：管式过滤器和布袋除尘器。

管式过滤器是由多孔材料制作而成，可以是陶瓷或金属材质的。管式过滤器的材料主要在于其孔隙率，要保证所有的焦油和固体颗粒不能通过。不能通过过滤器的颗粒会沉积在过滤器壁面上，形成称为“沉淀层”的固体多孔层。沉淀层的主要问题是随着沉淀层厚度的增加，穿过沉淀层的阻力会增加，因此，必须定期对其进行清除。常用的去除方法是用相反方向的压力脉冲对其进行冲击，比如使用压缩空气进行吹扫。

除了有沉淀层会产生较大的阻力外，这类过滤器还存在以下问题：如果过滤器破裂，那么灰尘和焦油气体会从该位置进入下游设备，并产生不利影响。另外，焦油还会在过滤器上冷凝并阻塞过滤器，因此，为了解决这个问题，陶瓷过滤器往往设计在高达800～900℃的温度条件下运行。

与管式过滤器中的多孔材料不同，布袋除尘器的材料是由机织织物制成的。与管式过滤器不同，布袋除尘器只能在较低温度（350℃）下运行。此处，沉淀层可通过使用压缩空气进行反冲洗或通过震动来除去。如果气体被过度冷却，那么焦油将在织物上冷凝。这是布袋除尘器应用中的难题。为解决这一问题，目前常使用带有预涂层的布袋除尘器，将其与形成在过滤器上的沉淀层一起去除。这样的预涂层可以有效地从产物气体中去除不需要的物质。

也有的气化设备使用湿式静电除尘器（ESP），气体从强电场通过，高压电场使固体和液体颗粒带电，当可燃气通过一个包含阳极板或阳极电位为30～75 kV的设备时，可燃气中的固体颗粒会吸收电荷，并被下游的带正电的阴极集电板收集。尽管湿式静电除尘器的收集效率不会随着颗粒堆积在反应器上而降低，但是需要定期清洁电极板，以防止气流阻碍或电极通过堆积的灰分而短路。

湿式静电除尘器中所收集的固体颗粒一般通过机械方式进行清除，但是如焦油这样的高黏性物质需要通过水薄膜进行清除。湿式静电除尘器在低至约0.5μm的粒径范围内具有很高的收集效率（大于90%），并且阻力非常低，但是静电除尘器在使用时需要考虑由于高压引起的火灾风险，因此，湿式静电除尘器由于低阻力而降低风机功率所节省的费用会被较高的安全成本所抵消。

湿式洗涤塔是另一种除焦油方式。它将水或适当的洗涤液喷洒到气体上，此时固体颗粒和焦油液滴将与液滴碰撞，聚结而形成较大的液滴，这样的较大液滴很容易通过旋风分离器与气体分离。在洗涤之前，需要将气体冷却至低于100℃。

湿式洗涤塔的收集效率很高（大于90%），但如果固体颗粒在1μm以下，其净化效率会急剧下降。由于洗涤塔上的压降大，需要选用较大功率的风机。

带有除焦油洗涤塔的系统产生净化气体的出口温度较低，其中剩余的焦油更难去除。这是因为有焦油聚集现象发生，形成了“焦油球”，焦油球属于长链碳氢化合物，这些焦油球具有团聚和黏结趋势，在焦油冷凝的初期可能会堵塞设备管道。

除了焦油问题，与化石燃料相比，生物质富含碱金属盐，这些碱金属盐通常在较高的气化炉温度下蒸发，但在600℃以下冷凝。由于碱金属盐的缩合会引起严重的腐蚀问题，因此应尽可能去除气体中的碱金属。如果可以将气体冷却到600℃以下，那么碱金属会凝结成细小的固体颗粒（小于0.5μm），可以在旋风分离器、ESP或其他过滤器中将其捕获。

去除焦油以及其他固体颗粒除了使用物理方法外，另一种方法是将大分子焦油分解成较小分子的气体。例如，H2或CO，因此，焦油的大部分能量可以通过形成的小分子回收。此过程涉及将焦油加热至高温（约1 200℃）或将其暴露于较低温度（约800℃）的催化剂中。焦油裂解有热裂解和催化裂解两种方式。下面分别对其进行介绍。

热裂解是指在高温下（约1 200℃）不需要催化剂，焦油即可进行裂解。温度要求取决于焦油的成分。例如，氧化焦油可能会在900℃左右裂解，可以添加氧气或空气以使部分燃烧。使用电弧等离子体也可以对生物质焦油进行热裂解，但焦油通过该工艺所产生的气体热值较低。

焦油催化裂化工艺已在许多工程实践中得以应用。常见的催化剂在上文中已介绍，具体这些催化剂在焦油裂解方面的作用如下：

非金属催化剂包括廉价的一次性催化剂：白云石、沸石、方解石等。它们可用作流化床中的床料，含有焦油的气体在750～900℃的温度下与催化剂发生催化裂化反应。

金属催化剂包括负载于SiO2、Al2O3和沸石等载体上的Ni、Ni／Mo、Ni／Co／Mo、NiO、Pt和Ru等材料。Ni／Co／Mo的混合物可将NH3与焦油一起转化。这些催化剂在焦油裂解期间会失活，因此需要重新活化。

本工艺采用间歇气化的方式，燃烧阶段会产生以NOx为主的污染物，在生物质气化阶段，一般都会有焦油的产生，虽然本工艺气化温度较高，能分解焦油分子，实践也证明了焦油的产生量较小，但仍是不可避免的。本工艺如果要进行大规模工业化应用，那么其污染产生的机理和污染物产量的预测以及处理措施等问题都必须得到解决，这也是下一步工作的重点。

（5）前文所述的工作展望实际上都离不开更完善的实验研究，所有的研究成果都必须通过实践的证明，所以在进行上述研究时必须同时进行相应的实验研究，以证明研究工作的可靠性。