聚焦 生物质资源的化工利用系列报道4
生物质制合成气 研究与开发进展
吕鹏梅 常杰
由富含木质纤维素生物质制备合成气主要有两条技术路线，一是由生物质气化气经重整、变换制备合成气；二
是由生物质经快速裂解制得生物油，再由生物油气化制备合成气。2种技术路线各有其优势所在。第一条技术路线
的优势在于：生物质气化技术的发展已经相当成熟，接近商业化水平。将成熟的生物质气化技术和可借鉴石油化工
的气体重整变换技术相结合，其技术难度较小，比较适合于生物质小规模就地转化制合成气。第二条技术路线的优
势在于：可以将资源分散的生物质加工成生物油后集中运输到一地，从而实现生物质合成气的规模化生产。
生 物质气化气制备合成气
生物质气化气制备合成气的3步反应主要是：定向气化，气化重整和气体变换。
生物质定向气化
以生物质合成气为目的生物质定向气化，与以生产燃气为目的常规气化有着本质区别，即它不是以热值为追求
目标，而是要使木质纤维素尽可能多地转化为富含H2、CO和CO2的混合气体，其中的无用气体和碳氢化合物可尽
可能少，以减轻后续重整变换的难度。
气体重整
其目的是通过施加一定的外部条件，将气体中碳氢化合物（如烃类气体和焦油等）催化裂解为有用气体，并除
去硫化氢等其他有害气体。碳氢化合物催化裂解的过程比较复杂，特别是焦油裂解机理至今仍有很多不清楚的地方。
但一般通过加注适量水蒸气，碳氢化合物在特定催化剂作用下能够裂解。
气体变换
经过重整后气体纯度虽然达到了要求。但H2、CO和CO2三者之间的比例一般还不能符合下一步制甲醇的要求，
而且通常是H2不足。所以气体变换的目的是通过对这3种气体的变换处理，使H2/（2CO+3CO2）最终约等于1.05。
美国环保署(EPA)和加州大学合作进行了HynolProcess的研究，将生物质和氢气转化为合成气后，再合成醇醚
燃料。实验表明，生物质碳转化率为75%，并建立了中试示范装置。在新能源开发机构（NEDO）资助下，2002年2
月日本三菱重工(MHI) 启动了一个生物质合成醇醚液体燃料示范工程， 该工程已于2004年进行了示范运行。美国
能源部(DOE)所属的国家可再生能源实验室(NREL)已成功完成了通过生物质气化制合成气，以合成气为原料制备甲
醇、二甲醚、汽油和柴油等技术。NREL的目标是建立一套整体的生物质制备燃料工业化装置，最终商业化。德国
太阳能和氢能研究中心与意大利环境研究所合作，对不同的生物质合成工艺进行了研究，并进行了技术经济评价，
目的是探索最优化的生物质制醇醚燃料的技术路线。
日本筑波大学以流化床为反应器，对纤维素进行了连续的以Rh/CeO2/SiO2为催化剂的生物质气化制合成气实
验研究。反应温度为500℃，在实验条件下，H2/CO比例为1.1～1.3。
甲醇、二甲醚等液体燃料为含氧化合物，富CO的合成气有利于含氧化合物的合成。由传统的生物质、空气-
水蒸气气化得到的气体中含有较多的CO2和CH4。虽然合成甲醇、二甲醚等的合成气中需含有3%～5%的CO2气体方
能达到较高的单程转化率，但合成气中CO2含量过多会大大降低单程转化率。因此，需对生物质气化气化学组分进
行调整，以满足甲醇、二甲醚等合成化学当量比的要求。目前，国外生物质气化气化学组分调整的工艺主要有3种
(2种被分离CO2摩尔分数不同的电解水供氧气化和变压吸附供氧气化)，其组成为H2 37.3%、CO 15.8%、CO2 34.7%、
CH4 11.4%、N2 0.3%、其他2.5%，这3种工艺分别为德国太阳能和氢能研究中心与意大利环境研究所合作研究采
用，3种工艺经调整后其H2/CO分别达到4.6、8.8和2.3。
生 物质油气化制合成气
生物油气化是指生物质在惰性气氛条件下发生快速热分解反应制得生物油，生物油再经气化制备合成气，其气
化反应器一般选用携带床气化炉。与生物质气化气重整、变换制备合成气工艺相比，生物油气化制合成气除了具有
规模效益外，还较易实现加压气化，生物油气化所得的气体比生物质直接气化所得气体纯净，具有后续重整、变换
技术难度较小等优势。但生物油气化制合成气技术也有一些关键问题待解决：生物质热解液化技术不成熟，目前仍
处于实验室研究阶段，与大规模商业应用还有距离；生物油理化特性与矿物燃料有着本质的区别；生物油气化与重
油气化相比，在雾化器设计、气化工艺参数选择等方面则具有更高的要求。
近年来，加拿大萨斯喀彻温大学分别以CO2和N2，H2和N2为气化介质对生物油气化进行了研究，生物油进料
速率为5kg/h，采用固定床反应器，反应在常压、800℃下进行。实验所得生物质合成气H2+CO含量为75%～80%（vol），
其中H2含量为48～52%（vol）。
瑞典TNO-MEP研究所和瑞典生物质工业计划组合作研究了两步法生物质制合成气工艺路线。其工艺路线以生物
质热解产生的焦炭和气体及部分合成气为热源为生物质热裂解制油提供热量，生物油气化采用加压气化。通过该工
艺路线，合成气产率可达到0.73kg/kg干木，H2/CO比例达到1.1。
国 内研究取得突破性进展
工业化放大问题仍待解决
我国在生物质气化技术上已经积累了较为丰富的经验，并逐步扩大了商业化运作的规模，但生物质能利用形式
多集中在农村生物质管道煤气、生物质气化发电以及生物质燃料乙醇等技术上。华东理工大学等近年来开展了生物
质直接液化技术的研究，但所得的液体燃料成分十分复杂，精制也很困难，价格昂贵。
中国科学技术大学生物质能实验室也在近年来开展了生物质直接液化及制备合成气的研究，建立了生物质热解
液化的中试装置。
中国科学院广州能源研究所在生物质合成液体燃料方面，已打通了气化、焦油催化裂解、合成气重整和增压合
成甲醇、二甲醚等过程一体化的工艺流程，并研制出超稳固熔体生物质合成气重整催化剂，连续300h的重整测试
未检测到积碳，还建立了生物质处理量为10gk/h的合成气造气与净化系统，并解决了合成气的连续长时间脱硫、
脱氯和脱氧问题，实现了常压生物质气化过程与高压二甲醚合成过程的衔接。
在制备合成气方面，广州能源研究所采用添加CH4进行CO2-CH4重整反应，重整反应器位于气化炉的出口，添
加的甲烷与气化炉高温气化气混合后，在约700℃发生重整反应，不仅降低了CO2的含量，而且产生了大量的合成
用CO和H2，合成气H2/CO为1.5。整个过程的生物质碳转化率为70%，重整反应为吸热反应，但CH4的添加量仅
为生物质气化气的10%，能量由高温气化气提供，不需额外提供能量。CH4气体的来源有2种，即天然气和沼气。
由于沼气来源于生物质的发酵，由沼气提供的CH4对生物质气化气进行重整，一方面可以摆脱制备工艺对天然气资
源的依赖，另一方面可实现生物质制备二甲醚的绿色工艺。
生物质液化制备合成气并进而合成液体燃料技术可按以下方式进行大规模应用：
在生物质富产地分散开办小规模的液化工厂，单套装置日产10t生物油即可，所对应的生物质收集半径在10km
以内，从而能使原料成本得到有效控制。
在全国按区域设置若干液体燃料合成厂，将生物质富产地生产出的生物油集中到这里进行气化和规模合成。这
样既克服了长距离直接运输生物质的难度，又有效避免了气候等因素所带来的局限。
虽然我国在生物质制合成液体燃料的全流程上已经解决了所有技术难题，但要实现工业化生产，尚有一系列装
置放大问题有待解决，最关键是要有适宜的生物质热解液化商用装置问世，这种装置应具备下列条件：
①液化率不低于50%，产油能力不低于400kg/h，生物油低位热值不低于16MJ/kg；
②单套液化设备销售价应控制在5O万元以内，且综合产油(含燃气和木炭副产物)成本不得大于600元/t；
③操作简单可靠，能够基本免维护地连续运行1万h，这一条最为关键，也最难实现。
生物质是一种可以再生资源，总量巨大。生物质液化制备合成气的技术一旦成功应用，其重大意义在于：
①有利于建立可持续发展的能源系统；
②有利于改善生态环境。这一方面是由于提高了资源的利用率，另一方面在巨大商业利益驱动下，完全可能会
掀起植树种草的高潮；
③秸秆资源的有效利用使其变废为宝，在为农民增加了收入的同时，也对农村社会经济的发展具有很大促进作
用；
④有利于培育新的经济增长点和提高国家的能源战略安全。