生物燃料对全球碳减排和能源可持续发展有着重要而独特的作用，生物燃气具有用途广、便宜实用的优点。然而，生物燃气的生产技术多样、成分复杂、范围宽广，导致其理化性质差异极大，给实际应用带来巨大挑战，生物燃气的性质规律和匹配的生产技术尚不明确。

近日，南京工程学院能动学院宋国辉副教授为第一作者，北京大学工学院赵皓研究员为通讯作者在Renewable & Sustainable Energy Reviews（IF=16.8）发表题为Quality of gaseous biofuels: Statistical assessment and guidance on production technologies的研究成果，从热值、互换性、爆炸极限和半致死浓度等指标构建了生物燃气成分数据库，从统计角度探讨了上述问题，并评估了电气化生物质转化技术发展。

该论文系统归纳总结了各种生物燃气的生产技术及其组分，包括厌氧发酵（AD）、空气气化（AR）、空气—水蒸气气化（AS）、富氧气化（OE）、纯氧气化（PO）、水蒸气气化（STM）等转化源技术所产生的沼气与合成气，以及通过CO甲烷化、CO₂分离、加氢甲烷化等升级技术所产生的粗合成天然气（cSNG）与合成天然气（SNG）。通过筛选标准化现有样本数据，获得了一个含有8类、482组成分的现有生物燃气数据库。

图1. 生物燃气的生产方法及分类

从热值、互换性、爆炸极限和半数致死浓度（毒性）等指标，研究了生物燃气的品质及其分类。在热值方面，统计显示：生物燃气热值范围约1.3~33 MJ/m³，可分为：高、中、低、极低、欠佳等5类。

图2. 8种现有生物燃气的热值范围

482组现有生物燃气的爆炸极限和爆炸范围分别如下图所示。显然，气化合成气的爆炸极限和范围明显大于沼气、粗合成天然气、合成天然气等甲烷含量高的生物燃气。STM和cSNG的爆炸特性对比表明CO甲烷化可以有效地降低爆炸上限、并减小爆炸范围。

图3. 8种现有生物燃气的(a)爆炸极限和(b)爆炸范围

在生物燃气的各种成分中，CO是主要的毒性物质。下图所示的LC50结果显示，气化合成气的毒性远远大于沼气、粗合成天然气、合成天然气，后三者生物燃气可被评为无毒。由此可见，气化合成气不宜直接作为气体燃料使用；STM和cSNG对比表明CO甲烷化具有大幅降低毒性、将“有毒”转化为“无毒”的作用。在此基础上，提出了基于CO浓度的生物燃气毒性分类体系：CO > 20 vol%，禁止类；10 vol% < CO ≤ 20 vol%，可用但不推荐类 (M)；2 vol%< CO ≤ 10 vol%，良好类；CO ≤ 2 vol%，优秀类。

图4. 8种现有生物燃气的LC50毒性

基于华白指数（Wobbe）和高位热值（HHV）的初步互换性结果显示，除了大部分SNG样本与现有城镇燃气具有互换性，其他cSNG、AD和STM仅有部分样本与其他中低热值的城镇燃气有互换性。但是通过微调成分，可以改变互换性结果，使之与现有城镇燃气设施兼容。另外，生物质气化所得的合成气在未升级之前，由于华白数和热值太低，与现有城镇燃气不具有互换性，虽然它们之间大部分样本可以互换。

图5. 8种现有生物燃气的互换性结果

在上述研究基础上，将图1所示的转化源技术（主要是AR、AS、OE和OP）与升级技术（CO甲烷化、CO₂分离和加氢甲烷化）进行重组，可组合获得新型生产工艺和新型生物燃气，并通过建模预测取得了729组成分数据（下标为m、ms和hm），最终形成了一个包含1211组成分的数据库。

同样对预测样本进行热值、爆炸特性、毒性和互换性的研究。结果表明，对于空气和空气—水蒸气气化合成气，除了加氢甲烷化能明显提高热值，其他升级技术没有明显作用，相应低，互换性也很少变化。然而，即使使用加氢甲烷化，也只能达到低热值等级。因此，综合来看，空气和空气—水蒸气不宜作为优选的生产技术。另外，CO甲烷化能够明显降低爆炸上限并缩小爆炸范围。CO₂分离虽然能提高生物燃气的热值，但是对空气气化和空气—水蒸气气化合成的效果不明显，因为其主要成分是N₂。另外，CO₂还具有小幅缩小爆炸范围的作用，虽然会导致爆炸下限的略微上升。

图6. 12种预测生物燃气的低位热值

赵皓，北京大学工学院、能源研究院研究员，普林斯顿大学博士，国家优秀青年科学基金（海外）获得者，国际燃烧学会“Bernard-Lewis Fellowship”奖获得者。长期围绕超临界燃烧、低温燃烧理论、等离子体催化技术、锂电池防火安全等开展研究，在Nature，ACS Energy Lett. (IF=24)，Renew. Sust. Energ. Rev (IF=17)，Combust. Flame，Proc. Combust. Inst.等能源领域核心期刊发表论文30余篇。主要研究成果：建立了首台超临界射流搅拌反应器（200大气压）；开展了超临界燃烧理论与高精度仿真工具开发工作；在燃料燃烧、污染物调控、等离子体催化等领域研发了超临界氢气、氮氧化物、烷烃、醚类、醛类等一系列化学反应机理。

本课题组招收具有良好理论或实验基础的热物理、化学、流体等相关领域的博士后与博士研究生。

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宋国辉，南京工程学院能源与动力工程学院副教授，中能建电力工程技术高级工程师，东南大学博士，普林斯顿大学访问学者。主持或参与过数十个燃气、燃煤发电热电项目的热机部分设计工作，Energies客座编辑，主要研究方向：能源过程建模与新型工艺设计，能源系统效率-环境-成本综合评价，生物燃料和替代燃料合成及应用，生物质与电力多元转化技术，在ACS Energy Lett.，Renew. Sust. Energ. Rev，Chem. Eng. J.，Energy等能源领域知名期刊发表论文20余篇。