煤气作为甲烷生产原料的热化学转换过程

4.2.1 燃烧

燃烧是一种大规模使用的热化学过程。使用植物的直接燃烧已经成为一种成熟的已为大家接受的技术，全球有很多这样的工厂。在燃烧过程中，控制生物质燃料在充足的空气中燃烧产生热能。通过燃烧可以生成温度将近800～1000℃的热气体。在高效率的燃烧过程中，烟气主要包括二氧化碳和水蒸气，以及根据生物质原料的不同所产生的不同的少量其他气体^[1]。产生的热量可以用来为烹饪、空间加热和工业过程或发电提供热量。理论上可以燃烧任何形式的生物质，但事实上，只有水分含量低于50%的生物质可以燃烧。有时可以提前对生物质进行预干燥，而那些高水分含量的生物质原料一般更适合于生物化学转换过程^[26]。

在燃烧过程中，小规模的应用一般效率都很低，据称，热量损失可能达到30%～90%。在大规模应用中，像木材燃料、林业残渣，甘蔗渣和城市固体废弃物等能够在熔炉和锅炉中燃烧来产生热能或者为蒸汽涡轮发电机提供蒸汽。发电厂的规模受本地可用原料限制，一般限制在25MW以下。尽管如此，通过使用专门的原料，像短生长周期的作物或者草本能源作物，规模可以提高到50～75MW，以获得显著的规模经济^[4]。在燃煤发电厂中使用生物质混合燃烧是一种特别引人注意的选择，因为这些电厂具有高能量转换效率。生物燃烧电厂中生物能源净转换效率的范围可以达到20%～40%，当系统规模提升到100MW以上，或在燃煤发电厂中采用生物质混合燃烧时，可以获得更高的效率^[26]。

4.2.2 气化

气化是对富含碳的生物质原料进行部分氧化从而得到高温的可燃气体，一般为800～900℃，甚至能达到1300℃，这一过程发生在空气或氧气有限的大气中。生物质的气化是一种最新的生物能源转换技术，它可用于提高气体涡轮机技术的效率，从而减少生物质发电投资成本^[32]。生物质利用过程中，所产生的气体一般是一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷和水蒸气的混合物，和少量的重碳氢化合物。产生的低热值气体可以直接燃烧或者用到气体燃料发动机和燃气涡轮机^[1，26]。

如果使用空气，那么煤气会被大气中的氮所稀释。煤气与天然气相比具有相对低的热值，为4～6MJ/m³，而天然气的热值为39MJ/m³。与天然气相比，煤气的低热值要求使用更多的气体来完成特定和能量输出。煤气可以作为锅炉、内燃机或者气体涡轮机的燃料。在一些更复杂的应用中，富氧空气、氧气甚至蒸汽可以作为气化媒介，产生合成气，由于缺乏氮气的稀释，它具有更高热值，范围为10～15MJ·m^3[1]。

煤气还能用作为一种生产如甲烷等化学物质的原料（合成气体）。生物质集成/联合循环是一个更高效率的方法，气体涡轮机能够高效地将气体燃料转化成电能。这种集成系统的一个显著特点是，所用的气体在涡轮燃烧之前要预先清洁。所以，需要更紧凑的、花费更少的气体清洁设备，清洁气体的体积也会减少。气化、燃烧/热回收的集成保证了系统具有更高的转换率，对于一个30～60MW容量的电厂，采用较低热值的输入气体，其生产净效率可达40%～50%^[26，32]。

从生物质中生产的合成气体可能会产生甲烷、费-托（FT）液、氢气，以及其他液体燃料和化学物质，其中的每一种都可能作为未来的运输燃料。在甲烷生产过程中，无论是间接氢气或氧吹气化都很受青睐^[26，31]。固体物质的气化和气化燃料气体的燃烧都会与固体直接燃烧产生同样类别的产品，产生的可燃气体含有多少不等的焦油和固体颗粒，在应用到锅炉、发动机、涡轮机之前需要去除这些成分^[1，31]。经济研究表明：生物质气化电厂可能与常规的燃煤电厂具有一样经济效益。输出电能一般由生物质的经济供应所决定，迄今为止，在大部分区域，其规模被限制在80MW^[32]。(www.xing528.com)

4.2.3 高温分解

高温分解是一种在完全没有氧气的情况下将生物质加热到400～800℃并转化为液体（生物油或生物质原油）、固体（木炭）、非凝性气体、乙酸、丙酮和甲烷的热化学过程。这些产物的组成和比例取决于输入的生物质原料的组成、预处理、温度以及反应率^[1，4]。生物油通常包括40wt%的氧气，而且具有腐蚀性和酸性。原油也可以升级（通过加氢）以减少其中的氧气成分^[14]。

高温分解生物油有将近17MJ/kg的热值，或以容积基位来比较大约是柴油热值的60%^[1]。可以调整这个过程使得炭、热解油、气或甲醇产品具有95.5%的产出投入效率。利用瞬间热解技术（或快速热解技术），液体部分能够达到最大化（高达热生物质输入的70%）^[4]。例如，在将近500℃的高温中和很短的反应时间内（小于2s），生成的热解油可以达到用于转换成热解生物油的原料的80%^[1，26]。

生物油能够用于发动机和涡轮机，另外将其作为炼油厂的一种原料的用途也正在被开发。热解能生成高产出投入比的能量燃料，是最高效率的生物质转换方式，也是最有可能与不可再生的化石燃料竞争，并有可能是代替不可再生的化石燃料的最有竞争力的方法^[4]。在转换过程和随后的生物油的使用过程中还有许多技术问题有待于解决，包括它低热稳定性和腐蚀性。在某些特定的应用中，需要通过对油进行氢化和催化分解以降低氧含量来提炼生物油^[26]。通过高温分解实现实的化学分解，本质上与提炼化石原油和煤炭是相同的过程。与化石燃料相比，通过热分解实现的生物质转换有许多环境和经济优点^[4]。生产热分解生物油的一个显著特征是它的生产地与最终使用地可以相分离，可以使用与常规燃料类似的运输和存储设施。

4.2.4 液化

液化是通过催化剂利用低温和高压氢气把生物质转换成稳定的液体碳氢化合物的热化学转换过程。液化的吸引力较低是因为，比起热解它的反应装置和燃料供应系统太复杂而且更昂贵。关于液化过程中碱性氢氧化物和碳酸盐的催化作用很少有解释，除了少数例外^[4]。另外一个产生生物油的过程是热解改质（HTU）。在这个过程中，生物质在一个潮湿高压环境中被转化为部分含氧碳氢化合物^[26]。