1.2　研究现状

尽管E.Henrich等人早在2002年就提出生物油浆的概念，但是随后并未见生物油浆的相关研究报告。近期，澳大利亚科廷大学吴宏伟教授等人提出生物油浆供应产业链的方法，见图1-2。其生物油浆供应链主要针对西澳大利亚西南部的小麦种植带，以按树作为生物油浆供应链的原料，具体过程如下：首先含水率低于45%的生物质被运送到当地分散的生物质热解工厂，然后将生物油同磨制好的生物炭进行混合制备成生物油浆，通过干燥和热解过程后生物油浆的含水率通常可以小于21%，最后制备好的生物油浆将被送往集中式电厂加以利用，主要包括生物质直燃电厂、大规模燃煤电厂以及固定式发动机电厂。吴宏伟教授等从经济性和能量生命周期的角度证明该生物油浆供应链是可行的［23-24］。

本节将从生物油浆的制备及理化特性、常规气化研究和等离子体气化研究3方面对国内外研究现状进行总结。由于目前关于生物油浆的研究报道较少，因此综述中会涉及水煤浆及生物质的相关研究结论。

1.2.1　生物油浆的制备及理化特性

生物油浆的制备就是将热解后得到的生物炭经过研磨后悬浮于生物油中混合而得到浆体的过程，由于该浆体混合物包含固体生物炭和液体生物油，而往往固体和液体的理化特性相差较大，因此生物炭和生物油相关的理化特性以及生物油浆的理化特性需要进行测试以检测其是否满足燃料的燃烧/气化需求。

Abdullah等人［25］基于生物质快速热解工艺制得的生物油浆的理化特性，总结出生物油浆的燃烧/气化需求，其主要包括生物炭颗粒的粒径分布，生物炭的多孔性，生物油浆的体积密度、能量密度、静态稳定性及流动特性等，只有当这些理化特性达到标准才能较好地对生物油浆进行利用，否则生物油浆的转化利用成本增加会抵消甚至超过其节省的运输成本，增加处理的复杂程度，反而不如常规的生物质产业链。在这些理化特性中，生物炭的颗粒粒径分布、生物油浆的静态稳定性和流动特性对整个生物油浆供应链中的制备、运输、进料和利用转化过程是至关重要的。颗粒粒度分布对浆体的表观黏度和屈服应力有重要的影响，对浆体的品质起决定性的作用［26］；浆体的稳定性是评估浆体品质的一个非常重要的指标，同时也是浆体产品中最为重要的物性特征之一，会直接影响浆体的生产和利用［27］；而流变特性是影响流体的管道输运能力和燃烧气化特性的决定性因素之一［28］。

Abdullah等人［29］提出一种全新的生物油浆应用方法，见图1-3，具体方法如下：热解之后的生物油首先通过生物柴油进行萃取分离为两部分，一部分为生物柴油富集组分，另一部分为生物油富集组分，然后生物油富集组分同生物炭进行混合制备成生物油浆，进一步的实验表明当生物柴油和生物油的比例为0.67时，利用生物油富集组分制得的含生物炭10wt%和20wt%的生物油浆同生物油直接制得的生物油浆具有相同的燃料特性，而生物柴油富集组分能够直接用作液态运输燃料，由生物油富集组分制得的生物油浆也可以继续被用于气化或者燃烧。

1.2.2　生物油浆常规气化特性

生物油浆或水煤浆的气化是非常复杂的热转化过程，通常包含热解和气化两个阶段。影响其气化过程的因素主要包括升温速率、温度、压力、气化介质等，并且这些因素往往是相互作用，共同影响气化过程。升温速率直接影响反应器壁面和反应物以及反应物表面和内层之间的传热和温度梯度，较快的升温速率往往得到较低的气化反应活化能，但是会导致样品温度滞后［30］。气化过程是复杂的热转化过程，因此温度具有决定性作用，通常较高的热解终温会降低气化的反应性，随着热解温度的上升，挥发分析出更完全，使热解焦的孔隙结构更加发达，因此增加了其气化反应性，但是过高的温度会使热解焦的碳骨架发生熔融坍塌，破坏孔隙结构，降低气化反应性［31］。压力的增加能够提高单炉气化生产能力，但是由于CO2气化平衡反应式的作用，较高的压力会增加CO2的产量，同时压力对气化过程的影响非常复杂，其不仅与反应物的种类相关，还同气化温度、分压等相关，且较高的压力还会提高扩散阻力［32］。气化介质作为参与气化过程的重要反应物，水蒸气的加入有利于H2的生成，而CO2对H2的产生具有抑制作用［33］。

华中科技大学张谋等人在固定床反应系统上对生物油在不同反应条件下的热解/气化特性做了相应的研究，并得出最佳的反应条件［34］：800℃为最佳热解温度，而75mL/min N2流量能够提供最佳的气体停留时间，对于生物油的气化，O2并不是很好的气化剂，而CO2能够作为一种优质的气化剂，在增加CO产量的同时，也使得H2产量同CO接近，有利于后期的化工合成反应。而鄢丰［35］等人同样在固定床反应系统上研究生物质热解半焦在不同气化温度、不同半焦粒径、不同水蒸气流量和不同气化停留时间下的气化特性，并得到850℃为最佳的气化温度，随着温度的上升，半焦粒径对气化的影响逐渐减小，同时水蒸气流量的增加使气化炭转化率先上升后下降。

尽管生物油和生物质热解半焦的气化特性有相似之处，但是具体到研究方法和研究内容上却大不一样，因此将生物油和生物炭混合制备成的生物油浆的气化特性应不同于两者之间的简单叠加，而且国内外关于生物油浆的气化特性研究较少，因此生物油浆在常规气化条件下的反应特性值得探讨。

1.2.3　生物油浆等离子体气化特性

ASCR等离子物理研究中心的M.HLINA和M.HRABOVSKY等人使用装备有混合气一水稳定直流火炬的反应器进行等离子体气化研究［36］。通过SPE方法，大部分的焦油含量被检测低于10mg/Nm3，这主要是由于较高的中心温度和包括氩气、氢气和氧气在内的低等离子体流量。他们得出一些较简单的规律，如CO2的加入可以提高CO的产量，但是并不影响焦油的产量；进料速率越快，苯的产量越大；等离子体反应器功率几乎不影响化学组成和合成气质量，这一结论不同于其他研究工作者的结果，因为等离子体为气化反应器提供了巨大的热能。

日本大阪大学的Hiroshi Nishikawa和Masaaki Ibe选用石墨代替城市固体废弃物以研究直流水蒸气等离子体对含碳固体废弃物在常压下的气化作用［37］。氩气等离子体和水蒸气等离子体被分别应用到该研究中。他们发现在氩气等离子体的作用下，水蒸气喷雾被主要分解为Hβ、OH和O自由基，而在水蒸气等离子体的作用下，石墨的转化率和合成气浓度更高。

CEA研究中心的H.Lorcet和D.Guenadou则选用甲烷代替生物油对生物油等离子体气化做了初步的研究［38］。其实验结果表明，70%的甲烷能够被转换成CO和H2，同时在数值模型方面他们得到了同实验较为一致的结果。

大连理工大学的何孝军和马腾才等人对煤炭在电弧等离子体和水蒸气媒介条件下的气化反应机理进行了探究［39］。他们主要探究电磁线圈电流和载气流量等因素对气体产率和活性粒子放射强度的影响，并在最后给出在该条件下的煤气化反应机理，其中包含24个机理反应式。

法国国家科学研究中心的J Luche和法国南锡大学的Q Falcoz以旋流反应器产出的轻质和重质生物油为原料，对其等离子体气化进行了研究［40］。他们研究了反应器温度、生物油流量和是否有水稀释等因素对等离子体气化的作用。然后他们选取甲醇作为生物油的模型化合物以模拟水蒸气等离子体气化，并探讨了CH3OH/H2O摩尔比。

捷克科学院等离子体物理研究中心的I.Hirka和M.Konrad利用标准k-ε模型建立了在热等离子体反应器中的木质颗粒水蒸气等离子体气化CF D模型［41］。重点研究反应器中的温度场分布、等离子体射流、H2和水蒸气质量分布以及反应器中的物质密度分布。

A.Fourcault和F.Marias等人选用C7H8和C10H8的混合物代替焦油，建立了高温等离子体下的焦油分解模型［42］。他们主要研究了进气温度、进气流量、等离子体功率以及两种模型化合物的比例等因素对焦油分解的影响。

D.Guenadou和H.Lorcet等人也通过实验和数值模拟两方面对生物油热等离子体气化制氢进行研究［43］。他们分别选用由25种有机物组成的分子式为CH2.28O0.85的混合物加50%含量的水以及由21种有机物组成的分子式为CH2.25O的混合物加50%含量的水作为模型化合物，模拟结果为，对于前者温度在2500K左右，得到最高CO＋H2产率为93%，而对于后者温度在2500～3000K，最高CO＋H2产率可以达到99%，而这一模拟结果同实验结果的95%产率非常接近。