东京大学Aziz团队J. Clean Prod. | 极具潜力？水稻废弃物气化生产绿色可持续能源综述

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背景简介

化石燃料的燃烧所带来的温室气体大量排放是引起的气候变化及一系列环境问题的根本原因，因此，迫切需要合适的可再生能源来取代目前的主流的化石燃料，最大限度地减少温室气体的排放。水稻在世界范围分布广泛且产量高，其生产过程中产生的废物是一种非常具有潜力的生物质能源。在各种能源转换技术中，气化是一种有前途的技术，可以将这些废弃生物质转化为高质量的合成气。然而，国内外对水稻废物气化的相关研究较少、不全面。

因此，东京大学Muhammad Aziz团队对稻壳及秸秆气化技术的最近进展进行了全面的综述，就水稻废弃物气化相关的几个方面进行了讨论分析，包括稻谷废渣的一般气化、稻谷废渣在不同反应器气化的性能对比（固定床气化、流化床气化和气流床气化）、稻谷废渣的分级气化技术、以及稻谷废渣气化的经济性分析。该文章对未来稻谷废渣气化深入研究以及水稻废物气化的工业化应用指明了方向。

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图文解读

图1描绘了水稻的生产路线，水稻的生产主要包括两个步骤：收割和脱粒。

图1 水稻生产基本路线图

在整个生产过程中，会产生出稻壳和稻草等生物质废物。稻壳和稻草是高挥发分生物质，且含有大量灰分，灰分中主要以二氧化硅为主。目前对稻草的主要处理方式为露天焚烧，这不仅造成大量的能量损失，同时对环境的危害也不容小觑。由于其收集、储存和运输上的困难，稻草和稻壳很难直接作为燃料使用。

稻谷废渣的气化

气化是一种热化学转化，利用气化剂将生物质转化为能量密度更高的合成气。然而，由于气化是一种局部燃烧过程，它会产生一种名为焦油的副产品，即不可燃的碳氢化合物分子。因为合成气的性能主要取决于原料特性、气化炉类型和操作条件。因此，本文详尽归纳各类气化炉生产合成气的性能表现，有益于设计可以将水稻废弃物转化为低焦油含量的合成气的反应器。

1. 固定床反应器

作为最传统、最成熟的气化反应器，其具有成本低、易操作、合成气热值高等特点。而固定床反应器又分为两类：下吸式气化和上吸式气化，基本示意图如图2。

图2 固定床反应器

2.流化床反应器

由于生物质密度较低，生物质流化床气化通常采用各种床料以增加生物质气化过程中的流态化过程，如硅砂、白云石、橄榄石、氧化铝、石灰石等，相较于固定床气化炉，流化床反应器具有温度分布更均匀、传热速率更高、良好的混合能力、以及更大的气固接触面积等优点。因此，流化床反应器可以提供更好的转换效率和更快的反应速率。然而，流态化气化炉也有缺点，包括碳以灰的形式损失、控制操作困难、工艺复杂等。其基本原理图如图3。

图3 流化床反应器

3. 气流床气化反应器

气流床气化是新型生物质高效大容量转换利用的反应器技术。如图4所示，原料和气化剂被顺流送入气流床中的气化器。

图4 气流床反应器

4.分级气化技术

分级气化通过原位工艺提高合成气质量和降低焦油含量。这种技术通过多级反应器或反应室作为气化器，将水稻废弃物转化为生物炭或合成气，兼顾焦炭生产和气化。基本原理如图5所示。

图5 分级气化技术

此外，本研究总结了大量有关水稻废弃物气化的经济性分析结论，为设计更加经济可行的水稻废物气化系统给予了理论基础。

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总结与展望

每种生物质转换技术都有各自的优点和缺点。考虑到其商业化应用仍面临许多问题，包括技术、经济、社会和政治（政策）问题等，因此，水稻废物气化仍需进行进一步研究，本综述得出的主要结论如下：

（1）水稻废料的气化被认为是一种有前途的生产高纯度合成气的技术。此外，气化可以将生物质转化为原料气，可以用作加热或发电。

（2）与固定床相比，在流化床和气流床反应器上生产的合成气焦油含量较低，因此，流化床和气流床反应器更加有利于生产清洁合成气。此外，焦油的减少使清洗和净化系统更加轻松。

（3）分级气化可能是最佳的合成气生产方式，因为两个过程的分级进行：生物质热解和半焦气化。可以在不同层次和不同时间(干燥、热解、气化、还原)进行工艺优化，以获得最高的合成气产量。

（4）对水稻废料气化的经济性分析研究表明，综合碾米厂和水稻废料气化是实现高经济效益的最佳选择。此外，水稻废料气化在电力生产方面表现出优异的技术经济效果。

（5）随着无碳新能源体系的发展，应进一步扩大对水稻废料的利用，特别是气化技术的应用。利用水稻废弃物生产电力或生产氢气将在未来获得更广泛的关注。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132926

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