中国科学院青岛生物能源与过程研究所

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

　　蒋剑春院士带领的生物质能源创新团队获国家科技进步奖一等奖1项、二等奖3项，省部级奖6项，授权发明专利69件，发表学术论文300余篇。

　　利用秸秆、木屑、枝桠、果壳等农林废弃物生产清洁能源和炭材料等国民经济必需的产品，蒋剑春院士团队创新了农林生物质热化学定向转化的基础理论与方法，突破了热化学转化制备高品质液体燃料、生物燃气与活性炭材料关键技术，构建了生物质多途径全质利用工程化技术体系，有力推动了我国农林生物质产业的快速发展，让以秸杆、木屑、枝桠、果壳等农林剩余物替代化石能源和材料的科技梦想“照进现实”。

　　开启农林剩余物热解气化研究利用之路

　　作为能源支柱的化石能源给人类生存环境带来严重的污染，且面临着逐渐枯竭的危险，全世界都在寻找新的可再生清洁能源。不少国家将目光瞄向生物质能源，然而，多年来，由于缺乏基础理论突破和有效的定向控制手段，我国生物质热解气化产业仍存在着技术单一、气化设备的原料适应性窄、燃气品质低、系统操作弹性和运行稳定性差、气化固体炭产物没有得到高值化利用、工程化技术集成应用创新不足等一系列技术瓶颈，难以规模化推广应用，严重制约了产业化进程。

　　20世纪90年代初，生物质能研究在中国尚处于起步阶段。“现如今，每年全国范围内与生物质能相关的会议可谓铺天盖地。”蒋剑春说。

　　当前生物质能全行业的红火，源于“十五”以来我国政府不遗余力地推动。在国家政策大力向该行业倾斜前，蒋剑春与林化所为何会“独具慧眼”地将生物质热解气化作为研究重点?蒋剑春坦言是基于“国家需求”。“当初我国石油、煤炭等化石能源价格较低，大家都觉得没有必要研究生物质能，这个行业也没有发展与利用的前景。但生物质能确实是当时国家有需求的科研项目，而且林化所也有传统研究优势，我坚定地认为这个方向非常具有科研价值。”

　　在外界并不看好的情况下，怀揣着为国家解决需求的决心，蒋剑春带领团队就此开启了农林剩余物热解气化的研究利用的绿色之路。

　　将生物质“废弃物”变高品质燃气

　　《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》明确，在农业领域中，将“农林生物质综合开发利用”作为优先主题。

　　我国生物质资源丰富，每年仅农作物秸秆和林业采伐加工剩余物就超过了10亿吨。其中，可以收集利用的林业采伐剩余物、加工剩余物大约有1亿吨，而农业秸秆的可收集量比林业剩余物多，农林可收集总量大约在2亿吨以上。但如何让农林废弃物变废为利?需要突破哪些技术瓶颈?这是蒋剑春团队长期研究的课题。

　　针对农林剩余物热解气化过程中存在的关键技术瓶颈问题，蒋剑春率领研究团队开展了热解气化反应过程的基础理论、控制机制、反应器新型结构等研究。经过20多年的持续攻关，他们取得了多项创新性成果，获得了2013年度国家科技进步二等奖。研究阐明了农林生物质定向气化规律，创新了高品质生物燃气调控方法。揭示了生物质热解气化反应过程燃气组分调控和炭化产物微结构形成与演变规律，以及不凝性可燃组分变化与氧含量的协同作用机制、可凝性有机物高温催化裂解机理;发现了热解过程固体炭石墨化转化温度，为制备高品质炭材料的选择性利用提供理论依据;建立了锥形流化床最小流化速度数学模型，揭示了生物质颗粒气-固多相流动特性与传热之间相似性及放大规律，该成果对多相流反应器工程化设计和应用具有重要意义。开发了高品质生物燃气调控关键技术和装备，并规模化应用于工业锅炉的供气、供热以及发电等行业。发明了新型锥体结构流化床气化反应器，发现了宽粒径分布物料理想流化状态的锥体最佳锥角为20o;创新设计出环状间隙双锥体结构气体分布器，首次实现了生物质热解气化操作负荷弹性范围宽达25%～100%的连续化运行;创建了适合块状生物质物料的固定床气化工艺，开发出具有连续加料、双级组合密封等功能和结构的气化炉系统;创制出连续化气-炭联产关键技术和装备，解决了生物质热解气化生产过程中存在的原料适应性窄、燃气品质低和生产运行不稳定等行业共性难题，率先实现了单机发电达1 MW以上、热值高达15 MJ/Nm3的气化技术及装备的工程化，提升了我国农林生物质生产高品质燃气和炭产品技术和装备水平。

　　所谓生物质多途径热解气化，蒋剑春介绍说，就是利用内循环锥形流化床、上吸式气化炉、下吸式气化炉和回转炉热解气化等4种不同设备和工艺路线，采用最低成本的空气气化法，将农林剩余物完全气化或部分气化制备燃气，同时联产产出高附加值炭材料和炭质吸附材料作为工业和民用。通过该技术实现了农林剩余物高值化综合利用替代化石燃料、减少温室气体及其他有害气体排放的目标。