气化技术的历史发展

气化源于人们尝试理解气体的物理化学特性，特别是煤矿开采过程中遇到的可燃和有毒气体。大约从1650年开始，人类通过“气动化学”（pneumatic chemistry）这一历史领域开始研究气体的生产、净化和储存。气动化学家最初尝试在曲颈瓶内加热固体来生产可燃气以供研究，随着研究的发展以及技术的进步，出现了斯蒂芬·黑尔斯（Stephen Hales）发明的集气槽（pneumatic trough）和安东尼·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）发明的储气筒，这些装置能有效地收集和储存来自曲颈瓶的气体，并能更好地承载更严苛的气化要求。

这些最初生产的可燃气被初步应用至不同领域。亚历山德罗·V.奥尔塔（Alessandro V Olta）在18世纪70年代发明了原始的煤气灯，简彼得·明克莱斯（Jan-Pieter Minckelers）于1785年在鲁汶大学（University of Louvain）尝试用煤气来点亮他的演讲大厅。第一个商业化的气化厂出现在19世纪早期的英国，气化厂使用的设备来源于实验室仪器的直接放大，生产富含H2和CO的混合燃气供纺织机械使用。随着工业快速发展，伦敦成立“煤气照明和焦炭公司”，通过煤蒸馏工艺提炼煤焦和煤气，生产的煤气通过管道输送到城市各处用于照明和供暖。此后气化技术持续进步，到1826年，英国几乎每个人口超过1万的城镇都有了煤气照明设备。气化技术在美国也得到了广泛的应用，1816年，美国马里兰州巴尔的摩开始使用煤气照明。到20世纪20年代末，美国有超过1200家气化厂在运行。虽然在1900年左右电灯被发明并应用后，煤气的照明需求有所降低，但在天然气被大规模开采和使用之前，煤气在供暖和烹饪方面仍然占有重要地位。

20世纪40年代以来，中小型生物质气化技术一直被用于生产低热值气体，即发生炉煤气（producer gas）。由于第二次世界大战爆发，战争对石油资源的巨大依赖以及石油资源的短缺，极大地促进了生物质气化技术的发展和应用。在第二次世界大战期间，德国和其他欧洲国家严重的石油短缺促使小型木材气化炉迅速发展。木材气化炉用于驱动农用拖拉机、汽车、货车、公共汽车，甚至船只，通常以木炭或木材块料作为燃料，产生的气化气在内燃机中燃烧以提供动力。至第二次世界大战结束时，约有70万个类似的气化装置投入使用，比如在当时的瑞典，90%的车辆都由气化炉提供动力。虽然这些气化炉缓解了当时严重的石油短缺状况，但这种动力提供方式存在诸多不便，如发动机效率低下、燃料需人工加载、维护需求频繁、设备可靠性差等。随着战争结束，石油产能逐步恢复，这些小型气化炉技术迅速被放弃。

战争期间的石油短缺也促使各国发展气化炉生产的合成气（syngas，主要组分是CO和H2）合成液体燃料技术。与车载气化炉相比，这些用于合成气生产的固定气化装置规模都很大，而且通常以煤炭而不是木炭或木材为燃料。到20世纪30年代末，德国利用煤炭气化和费-托合成技术每天生产230万升汽油。日本、英国和法国也相继建造了基于类似技术的工厂。20世纪40年代初，由于费-托合成技术还相对不成熟，反应器尺寸小，总体产量不高，德国开始主要使用煤加氢来制造燃料。随着第二次世界大战结束，这两种燃料合成技术也均停止使用，转而使用常规石油燃料。(www.xing528.com)

第二次世界大战过后，由于廉价原油供应的增加，气化技术进展趋缓。直至20世纪70年代，石油危机导致西方国家经济受挫，为缓解能源危机，生物质气化技术又再一次得以发展。美国、日本、加拿大、欧盟国家等调整能源战略，开始着力生物质气化技术的研究与开发。到20世纪80年代，仅美国和加拿大就分别有19家和12家研究机构从事生物质气化技术的研究，美国可再生能源实验室（NREL）和夏威夷大学开展了生物质蔗渣燃气联合循环（IGCC）发电系统研究。德国鲁奇公司建立了100 MW的IGCC发电系统示范工程；瑞典能源中心利用生物质气化联合循环发电等先进技术，在巴西建了一座30 MW的蔗渣发电厂；荷兰Twente大学进行流化床气化器和焦油催化裂解装置研发，推出了无焦油气化系统，还开展了将生物质转化为富氢燃气、生物油等高品质燃料的研究。

早在20世纪40年代，用木炭气化燃气驱动的汽车已在中国一些城市使用。我国在能源困难的20世纪50年代，也曾利用沼气作为燃料驱动汽车和农村排灌设备，而生物质气化技术则在20世纪80年代以后才得到较快发展。至今，我国已广泛开展了生物质能高品位气化转换技术以及气化装置的研究开发，逐步实现了生物质气化集中供气、燃气锅炉供热、内燃机发电等技术，把农林废弃物、工业废弃物等生物质转化为高品质的可燃气、电能和蒸汽，极大地提高了生物质能源的利用率。1998年，中科院广州能源所研究设计出使用木屑的循环流化床生物质气化发电系统，并投入商业运行。山东省科学院能源研究所在“七五”和“八五”期间成功研制出秸秆气化机组和集中供气系统中的关键设备和成型技术，并率先在国内多个农村地区推广和应用。浙江大学、华中科技大学、辽宁省能源研究所等科研单位在生物质气化及多联产领域也开展了大量研究工作，为生物质气化技术的应用打下了良好的基础。在生物质气化技术高速发展期间，我国研究机构完成了生物质气化设备规模从400 kW到10 MW的突破，形成了向产业规模化发展的方向，我国成为了国际中小型生物质气化发电应用最多的国家之一。生物质气化技术作为生物质清洁利用的关键技术之一，在国内外有着广泛的发展前景，正朝着合成液体燃料、供热、供气、发电以及多联产等方向稳步前行。