文章推荐 | 陈冠益教授团队：基于文献计量的生物质气化研究发展态势分析
郭祥1 李瑞祎1 张蕊1 刘彬2 陈冠益3* 侯立安1
（1.天津大学 环境科学与工程学院，天津 300072；2.青岛农投生物工程有限公司，山东 青岛 266000；3.天津商业大学 机械工程学院，天津 300134)
研究背景
随着化石燃料消耗和温室气体排放的增加，碳中性生物质的利用引起了世界各国的广泛关注。生物质气化是当前和未来低碳能源系统中一项很有前途的技术。对生物质气化技术的开发和优化已成为各国不断探索的重要内容。
早在1659年，Thomas Shirley开创性地通过气化技术制备出碳氢化合物（即甲烷）。William Murdoch在1792年证实了煤制煤气的应用。Fourcroy在1801年开发了水煤气转换反应。第一台西门子气化炉于1861年安装成功。伴随着20世纪完全连续式气化、流化床气化炉、加压移动床工艺的开发，及第一座商业化的气化工厂在美国的建立，气化技术得到了突破性发展。以上为21世纪生物质气化技术的开发和应用奠定了坚实的基础。生物质气化技术具体指在高温条件下（>700 °C）及气化剂如空气、O2、水蒸汽、CO2或混合气化剂的参与下，将生物质的有机组分转化为可燃气的过程。生物质气化产品多样，包括：合成气、热能、动力、生物燃料、肥料和生物炭。其中，合成气可进一步通过费托合成用于生产甲醇、二甲醚等化工原料。尤其在我国以合成气为基础的C-1化工产业发展迅速。
在过去的二十年间，生物质气化在技术的创新及优化方面成绩显著，工程项目也在世界各地得到了大力发展。区别于发展成熟的煤炭气化技术，生物质原料更加多元，主要包含木质生物质、草本生物质、海洋生物质及粪便等。每种类型的生物质原料差异很大，甚至特定来源的生物质理化特性也会有所不同。因此，生物质气化也是相当有挑战性的。目前，研究人员对生物质气化技术进行了大量有价值的研究和综述，研究内容主要围绕原料特性、不同操作参数、气化炉型、焦油的形成和裂解、工艺模拟及技术-经济性评价等。然而，目前还缺乏定量的研究来系统地分析生物质气化技术的相关文献，很难从宏观角度把握生物质气化的研究热点及未来发展趋势。
文献计量学是对科学活动进行定量分析最有效的工具之一，通过统计分析文献的特征数量，构建基于研究主题的定量评价模式。统计指标可定量评价某一领域的个人、机构或国家的研究产出，提供关于研究状态的有效信息，从而帮助识别和开拓新的研究方向。为填补生物质气化文献定量分析的空白，本研究将基于Web of Science核心数据库，通过文献计量学的方法对2001年至2020年的生物质气化主题的研究文献进行定量分析。以期为今后的生物质气化技术研究提供一定的参考。
摘 要
生物质气化是实现生物质分布式开发和能源化转化的效途径，用途广泛灵活性强，助力清洁能源系统构建，在世界范围内得到了广泛研究与应用。文章采用文献计量分析结合S型曲线及可视化工具，对2001-2020年Web of Science核心数据库中“Biomass gasification”主题的12034篇研究论文进行了定量分析。结果表明：生物质气化主题的研究论文以稳定的年增长率从2001年的58篇增加到2020年的1517篇；发文量的S型曲线表明，生物质气化技术在未来的15年仍有很大的创新及发展潜力；中国的累计论文发表数量最多（3201篇，占全球总发文量的26.60%），在国际合作网络中占据核心地位，而欧美国家的发文质量更高；关键词共现及演进路径分析表明生物质气化副产物的高值化利用、新型气化工艺的开发（耦合工艺、化学链气化）、对碳中和的潜在贡献及“能源、㶲、经济、环境”综合效益评价成为新的研究重点。
01
数据来源及分析方法
1. 数据来源
所有数据来源于Web of Science核心合集，以主题（Biomass gasification）、时间范围2001-2020年进行检索，共得到14710条记录。所有数据均保存为“纯文本”记录，记录内容选定“全记录与引用的参考文献”。以此为基础进行下一步的文献计量分析。
2. 文献计量分析
在Web of Science检索结果界面，分别获取精炼主题词为“Web of Science类别、出版年、国家/地区、领域中的高被引论文”的数据结果，采用origin 8.1及Microsoft Excel 2016对文献类型及发文趋势、不同国家发文贡献、主要发文期刊与文章被引频次等进行统计分析。在不同国家发文贡献分析中引入h指数，定量评估发文国家的生产力及学术影响力。
文献计量分析基于网络和图形化的理论对文献数据进行可视化、结构化，是对某一学科领域进行宏观回顾的有效方式。通过网络结构的视觉表征建立基于“国家、研究机构、关键词”等的知识图谱，量化传达集中关系特征。VOSviewer是莱顿大学开发的一款文献计量软件，可有效展现知识领域的结构、进化以及合作等关系，并通过可视化评估一个领域的研究现状和热点。本文采用VOSviewer 1.6.15版进行文献计量分析。
3. S型曲线分析
技术的发展通常经历起步阶段、成长阶段、成熟阶段和衰退阶段，以上趋势符合S型曲线。本文以研究论文的逐年发表数量为基础数据，采用Logistic随机模型拟合生物质气化技术发展的S型曲线，进一步采用Fisher-Pry对S型曲线进行线性变换。联合S型曲线及Fisher-Pry（linear）曲线评估生物质气化的发展阶段及未来发展前景。
02
结果与讨论
1. 文献类型及发文趋势分析
1) 文献类型分析。
在Web of Science检索系统，共获得14710条符合要求的文献记录。如图1所示，所有文献可归为4类：研究论文（12034篇，81.81%）、会议论文（1751篇，11.90%）、综述文章（810篇，5.51%）、其他（115篇，0.78%，包括网络首发、社论、会议文摘、新闻报道、快报、订正文章、专著章节、撤销刊物、撤回文章）。因研究论文可以更可靠地反应研究趋势，故本文仅考虑研究论文的相关数据，并进行相应的文献计量分析。
图1 文献类型统计数据饼图
2）研究论文发文数量及趋势分析。
随着全球能源需求的不断增长和环境污染问题的日益严重，生物质气化主题的研究论文从2001年的58篇增加到2020年的1517篇（如图2所示），发文年增长率变化不大，累积占比基本呈线性增长。其主要原因可能是一些传统的气化理论，如气化的基本反应及原理、气化炉型、气化影响因素等，已在20世纪由研究人员提出并研究。近二十年来，对生物质气化技术的研究逐渐转向创新和实用的方向。
图2 生物质气化技术的年度研究论文发文数量及发文累积占比
3）技术成熟度分析。
为模拟生物质气化技术的发展阶段及技术成熟度，本文采用了S型曲线及其线性变换Fisher-Pry (linear)曲线。由研究论文发表数量的S型曲线，图3（a）所示，生物质气化技术于2015年进入成熟阶段，目前仍处于增长期。预计2035年左右将发展成熟，即在将来的15年内生物质气化技术可进一步发展，其创新和发展的潜力很大。
由图3（b）Fisher-Pry (linear)曲线可知，2006年生物质气化技术的成熟度达到10%，2016年达到50%，目前约为65%。2025年预计将达到90%，2035年左右达到成熟。但因受到产业环境、投入情况等多方面的影响，具体结果还需该领域的专家共同论证。
图3 生物质气化的技术成熟度分析
2. 发文国家分析
1）国家贡献分析。
通过精炼作者的地址信息，分析了各国的发文贡献，发现作者共来自118个国家/地区。表1所列为总发文量排名前20的国家，并列出了各国的发文占比、平均单篇被引和h指数及其排名。图4为排名前5国家的年度发文趋势。
中国的累计发文数量达到总发文量的26.60%，排名第一，但平均单篇被引次数排在第13位。发文h指数达到102，排名第一。如图4所示，21世纪初期，我国生物质气化相关研究的科技论文产出偏低。但实际上我国的生物质气化技术研究起步较早，已于20世纪80年代初期开展了气化技术、装置及集中供气、发电等应用的全面研究。而我国较重视技术或装置的应用，在吸收国外先进的技术理论基础上进行了自主创新，但处理数据不足或运行成本高，实际处理效率与理论研究存在较大差距，从而影响了学术研究的产出。国家能源局于2012年印发《生物质能发展“十二五”规划》，明确提出积极推进生物质气化及发电，这在很大程度上刺激了我国在该领域发文量的增长。在2013年我国的发文量已远超其他国家。2016年《能源发展“十三五”规划》及2018年中央一号文件《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》的发布，极大地促进了生物质气化技术的学术研究产出。2020年，中国发表研究论文560篇，远超其他国家，约为美国（发文量排名第二）的4.7倍。
美国和日本的发文占比分别为11.73%和6.52%，平均单篇被引次数（34.37，排名第3；34.34，排名第4）和h指数（95，排名第2；85，排名第3）均表现良好，表明两国在生物质气化领域具有较高的学术影响力。从图4可以看出，作为第3大发文国家，日本的研究起步较早，2003-2008年的年度发文数量明显高于其他国家，这可能得益于日本内阁于2002年制定的《日本生物质综合战略》。但日本生物质资源有限，高昂的进口成本限制了生物质气化技术的快速发展，研究产出并未大幅增长。意大利与西班牙在欧洲国家中发文量最多，与发文产出相比，国际合作力度有待加强。值得注意的是，荷兰、英国和法国等欧洲国家的发文数量并不显著，但单篇被引次数分别排名第1位（50.18）、第6位（33.52）和第7位（32.49），学术影响力较高。早在1955年，荷兰成立了能源领域最大的研究所-荷兰能源研究中心（ECN），并将生物质能作为六大核心业务之一。在有效的行业、政府、研究机构合作机制的保障下，荷兰的学术影响力表现抢眼。
表1 发文贡献排名前20的国家
图4 发文量前5名国家的年度发文数量
2）国家聚类及国际合作模式分析。
采用VOSviewer对发文国家的聚类分析结果如图5所示。国家之间聚类明显，主要构成4个簇。这些簇通过发文国家的国际合作特性进行归类，显示出一定的国际合作模式。图中每个节点代表一个国家，点的大小与该国的发文量有关。点之间的连线表明国家之间的合作关系，线的粗细反映了合作发文数量。德国、法国、瑞典等欧洲国家构成簇1；日本、韩国、马来西亚、韩国等亚洲国家构成簇2；美国、巴西、哥伦比亚等美洲国家构成簇3；中国的中心性最强，与新加坡、澳大利亚、英格兰构成簇4。中国、美国、英国、德国及日本的中心性表现突出、链接强度高，表明以上国家在生物质气化领域的国际地位较高、国际合作力度强。这与表1中的国际合作发文量及排名呼应较好。以中国和美国为中心的合作网络具有较大的范围，且两国合作最为密切，共同发文量高达240篇。其次，中国与日本共同发文110篇，中国澳大利亚共同发文108篇，中英共同发文94篇，中国新加坡62篇，中国加拿大57篇，中国瑞士48篇，充分展示中国在世界范围内的广泛合作及国际影响力。与中国为代表的亚洲国家及美国为代表的美洲国家有所不同，欧洲国家更倾向于欧盟内部合作，如意大利与德国（合作发文33篇）、西班牙与英国（合作发文26篇）。
图5 生物质气化技术研究发文国家聚类分析
3. 发文期刊分析
在Web of Science检索结果窗口，得出有关生物质气化技术研究的发文期刊共812个。其中，刊文数量在200篇以上的有11个，100篇以上的有20个。表2所列为刊文数量排名前10的期刊，所列均为“能源与燃料”领域的经典期刊。其中刊文量最多的Energy & Fuels共刊发论文955篇，占到总发文量的7.94%，表明其在生物质气化领域的高认可度。刊文量排名第5的Bioresource Technology h指数（251）及影响因子（9.642）表现抢眼，显示该期刊在生物质领域举足轻重的地位。值得注意的是，所列期刊的影响因子基本呈逐年增长的趋势，表明能源与燃料相关研究影响力的逐步提升，尤其是可再生能源的开发及利用。
表2 生物质气化领域刊发论文排名前10的期刊
4. 高被引论文分析
ESI（Essential Science Indicator，基本科学指标数据库）高被引论文，为被引频次排在同学术领域内前1%的论文，其较为客观地反映了该学科领域的研究动态和关注热点。表3所列为生物质气化主题被引频次排名前10的高被引论文，发表年份集中于2013-2020年。被引频次最高的《Activated carbon derived from carbon residue from biomass gasification and its application for dye adsorption: Kinetics, isotherms and thermodynamic studies》由新加坡于2016年发表。该文采用生物质气化残炭制备活性炭并考察其在染料吸附中的应用，为生物质气化副产物的高值化利用开辟新方向，涵盖能源与环境两大领域。排名第2的高被引论文聚焦残炭的催化剂开发利用及气化副产物焦油的高效脱除，为副产物的高效利用及转化提供参考。从高被引论文列表不难看出，近年来生物质气化技术的关注热点主要为副产物（残炭、焦油）的高效利用或转化、高品质燃气（富氢燃气、合成气）制备、工艺优化（能效提升）及机理完善。为保障生物质气化技术的可持续发展，有助于综合效益提升的研究内容正在不断开辟并完善。结合我国的总发文量，我国的高被引论文数量及影响力还有提升空间，在保证发文数量的同时尚需提高发文质量。
表3 排名前10的生物质气化技术主题高被引论文
5. 关键词及研究热点演进分析
将Web of Science检索结果按照2001-2005、2006-2010、2011-2015和2016-2020四个时间段导出。采用VOSviewer对每个阶段进行作者关键词共现及时间叠加可视化分析，探索生物质气化的研究重点（如图6所示）。节点大小代表关键词链接强度，不同颜色对应关键词平均出现年份，颜色越红说明出现时间越晚。
关键词的出现时间可在一定程度上反映研究热点的演进路径。如图6所示，生物质气化研究的关键词由“气化”“热值”“流化床”“反应活性”“动力学”转向“焦油”“氢气”“催化”“热解”“燃料电池”“CO2捕集”“多目标优化”“技术经济性分析”“生命周期评价”等。生物质气化研究经历了从基础理论的建立到工程应用的转变，并不断完善技术、经济及环境评价体系。“焦油”与“生物炭”（气化残炭）为生物质气化的主要副产物，直接影响气化工艺的效率与效益，其研究将贯穿整个生物质气化研究历程，如焦油脱除与裂解、生物炭基材料等。面向当前碳中和的重大国际趋势，本文也重点关注了生物质气化领域的“CO2”与“CO2捕集”研究。由图6易得，“CO2”或“CO2捕集”在四个阶段的平均出现时间分别为2004.25、2008.89、2014.21、2018.06，分布于每个阶段的后期，体现研究的演进方向。相信在碳中和目标的引领下，该主题将得到持续关注。
图6（d）中“economic analysis (2018.55)”“techno-economic analysis (2018.57)”“municipal solid waste (2018.57)、“exergy analysis (2018.58)”“adsorption (2018.64)”“anaerobic digestion (2018.66)”“multi-objective optimization (2018.81)”“oxygen carrier (2018.92)”“chemical looping gasification (2019.15)”等共同构成了生物质气化研究的新热点。为保障生物质气化工程应用中不可逆投资设置的合理性及有效性，项目建设前基于应用场景的技术/经济性分析已成为必备步骤。随着生物质气化技术的不断开发，面向工程应用的场景假设、工艺流程设计、技术评审、成本分析、技术成熟度与不确定性、能源效率分析等研究内容尚需不断完善。此外，通过模拟的手段（如㶲分析）可对气化过程进行分析和优化研究，从而为气化技术的开发利用以及提高合成气的品质提供理论依据。综上，基于“Energy, exergy, economic, environmental”4E理论对技术进行全面研究与优化，是生物质气化领域需要持续开展的重要内容。
在传统的生物质能源化技术体系下，以厌氧消化为代表的生化转化与以生物质气化为代表的热化学转化相互割裂、各自为战，单一技术的能源综合效益低下。而新近出现的“厌氧消化-生物质气化或厌氧消化-水热碳化”耦合体系，如沼渣气化/水热碳化、气化/水热产物（副产物）生物甲烷化，具备实现生物质全效转化的潜力，优势显著，或将成为当前及未来一段时间的研究热点。有关耦合系统的内在作用机制、物能流动规律及调控机理、全生命周期评价等亟待开展。化学链气化可零能耗原位分离转化过程中的二氧化碳，从而具备碳负性的特点，并通过合理控制载氧体供氧量及气化介质制备合成气或富氢燃气，成为生物质气化领域的新研究热点。基于生物质理化特性的化学链气化机理解析与产物预测、高性能载氧体的设计构筑与性能评价以及生物质化学链气化反应器的开发充满挑战，仍需深入研究。
图6 生物质气化研究关键词共现网络及热点演进分析
03
结论
基于Web of Science核心数据库，对2001年到2020年出版的有关生物质气化研究的12034篇研究论文进行了文献计量分析。在过去的20年间，生物质气化主题的研究论文数量稳步增长，目前仍处于快速增长阶段，该技术在未来的15年仍有很大的创新及发展潜力。我国的发文数量贡献最高，但发文质量及影响力仍需通过创新及研究深度的拓展进行提高。鉴于生物质气化服务于清洁能源系统建设及碳中和目标的巨大潜力，未来面向可持续发展及综合效益提升的生物质气化副产物的高值化利用、新型气化工艺的开发、对碳中和的潜在贡献及“能源、㶲、经济、环境”综合效益评价将成为生物质气化领域的研究重点与热点。
来源：郭祥,李瑞祎,张蕊,刘彬,陈冠益,侯立安.基于文献计量的生物质气化研究发展态势分析[J].环境工程.
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