剩余生物质的气化已成为一种高效的热化学转化过程，适用于多种用途，例如发电、化学品制造、以及液体生物燃料、生物质合成天然气（BioSNG）和氢气的生产。因此，生物质残余物的气化不仅对经济脱碳做出了重要贡献，而且促进了可再生资源的有效利用。尽管有各种气化技术可用，但目前尚无明确的指南来选择适合原料和所需下游产品的气化炉类型。在此，研究人员基于广泛的文献综述，结合多准则决策方法，提出了一种气化炉分类模型。研究人员进行了全面且最新的文献综述，以深入了解生物质气化领域的当前知识状况。在生物质气化的背景下，介绍并比较了不同类型气化炉的不同特征。研究人员从处理能力、合成气（syngas）质量、过程性能、原料灵活性、运行与资本成本、环境影响以及特定设备特性等准则对气化炉进行了评审和评估。评估了一种多准则分类方法用于评估生物质气化炉。将该方法应用于一个案例研究，以确定在小规模情境下，将BioSNG纳入天然气分配系统的最佳气化炉。通过将矩阵结果与全球商业实施的气化项目进行比较，进行了验证。
**1. 引言**
剩余生物质（residual biomass）来源于农业和林业活动，是解决能源需求增长和能源消耗负面环境影响的有前景的替代方案。全球人口增长导致农业、城市化及相关废弃物产生的生物质增加，推动了生物质气化市场的扩张。这种更大的生物质可用性支持采用气化技术作为可再生能源和废物管理解决方案。此外，各国政府和政策制定者正积极提供财政激励和补贴，以鼓励采用可再生能源，特别是在废物管理方面。
气化（gasification）对应于将任何含碳原料转化为主要成分为合成气（syngas，氢气与一氧化碳的混合物）的气态产物。合成气的利用预计将在多种应用中显著增长，包括发电、化学品制造、肥料生产、液体生物燃料、生物质合成天然气（BioSNG）和氢气生产。通常，化学合成不依赖于合成气的来源。因此，来自煤合成气甲烷化的进展通常可以转移到由生物质制成的合成气。然而，煤和生物质在组成和矿物质方面存在差异，这通常需要对气化技术进行调整。因此，气化炉类型的选择对合成气组成以及由此涉及的BioSNG生产过程有很大影响。
由于对可再生能源和有机废物再利用的兴趣日益增长，需要仔细选择气化技术。然而，由于合成气组成的可变性（受气化剂和可用生物质多样性的影响），这是一项复杂的任务。不同类型的生物质以及不同的H/C或O/C比率会产生不同的合成气组成。尽管气化剂在决定过程热力学和最终合成气组成方面起着根本性作用，但生物质原料的影响仍然是一个不可忽视的重要因素。生物质的变异性，特别是元素组成和工业分析特性，直接影响合成气产率和质量，为放大带来了技术和经济挑战。因此，选择合适的气化技术不仅对于最大化过程效率至关重要，而且对于适应原料的具体特性以及根据生产目标（如为燃料和化学品提供原料）定制合成气组成也至关重要。
因此，选择合适的气化技术对于最大化效率并根据生产目标（例如获得BioSNG）调整合成气组成变得至关重要。有效实施气化以生产特定燃料或化学品面临挑战，例如（i）操作条件范围广，（ii）生物质变异性和可用性，（iii）过程规模，以及（iv）气化技术。此外，考虑气体后处理和原料预处理对于确保气化过程的效率和可持续性变得至关重要。鉴于与生物质气化技术相关的众多替代方案和评估准则，一种决策工具可以促进BioSNG及相关产品生产的选择过程。在此，研究人员首先回顾了生物质气化以及合成气转化为BioSNG背景下可用的气化技术。最后，研究人员提出了一种选择最合适气化炉用于BioSNG生成的方法。
**2. 用于BioSNG生产的生物质气化**
天然气是全球能源供应的重要组成部分。其作为电力和工业热源的多样性，以及其在支持能源转型中的重要作用，推动了对这种不可再生资源的需求。然而，由于其不可再生的性质以及与其消费相关的环境影响，其作为电力和工业热源的长期可行性存在限制。碳中性的电力和工业热源要求燃烧相关的排放被燃料合成过程中二氧化碳的捕获所抵消。实现这种碳中和燃料的替代方案之一是开发生物质合成天然气（BioSNG）。BioSNG是通过生物质气化随后进行甲烷化反应（methanation reaction）产生的甲烷。因此，它是天然气的潜在替代品，具有相似的化学组成，可以利用现有设施进行运输、储存和使用。也就是说，现有的用于天然气发电和供热以及其运输的基础设施仍然可以在没有任何额外投资的情况下使用。
用于生产BioSNG的气化厂包含五个主要部分：（i）生物质预处理；（ii）气化；（iii）气体净化与预处理；（iv）甲烷化；以及（v）提质。剩余生物质通常由大颗粒尺寸和低密度材料组成。这些特性对其在气化过程中的使用构成了显著限制。因此，生物质预处理部分涉及生物质原料的初始干燥和颗粒尺寸减小。后者需要使用机械过程（如粉碎、研磨和磨碎）将生物质破碎。这增加了材料的表面积，增强了其反应性、流动性和在气化部分进一步处理的适用性。
生物质预处理完成后，生物质可被送入气化部分。生物质气化过程涉及将固体或液体有机化合物转化为气相/蒸汽相和固相。所得气相通常称为“合成气”，是化学工业中的重要基础原料。固相称为“焦炭”（char），由未转化的有机部分和处理后的生物质中存在的惰性材料组成。气化过程中还会产生额外副产品，如焦油（tar）和灰分（ash）。焦油如果控制不当会导致操作问题，而灰分必须妥善管理以防止环境影响并确保系统的可靠运行。气化过程中的化学反应导致原料中碳的部分氧化，由气化载体（如氧气、空气、蒸汽或二氧化碳）促进。在气化炉中，生物质经历反应步骤，包括干燥、热解、部分氧化和还原：
(1) 加热和干燥：通过加热去除生物质中的水分，许多气化系统利用水分含量在10%至20%范围内的生物质来生产高热值气体。当过程温度超过150°C时，干燥被认为完成。水分蒸发过程中释放的蒸汽可促进额外的化学反应，显著影响气化效率和产物组成。
(2) 热解（pyrolysis）：是碳质材料基质的热化学分解，促进形成较低分子量的分子。这发生在200至700°C的温度范围内，在无氧化剂条件下进行。该过程产生固体、液体和气体馏分。固体馏分碳含量和热值高，由惰性材料如灰分和焦炭组成。液体馏分称为焦油，包含在相对低温下可冷凝的复杂有机物质。气体馏分称为热解气，主要由氢气、一氧化碳、二氧化碳和轻质烃组成。
(3) 部分氧化步骤：对于产生吸热过程所需的热能至关重要，将操作温度维持在必要水平。在低氧气供应下执行，该步骤氧化一小部分碳质物种。该阶段的主要反应包括焦炭燃烧、部分氧化和氢气燃烧，产生一氧化碳、二氧化碳和水的混合气体。
(4) 还原阶段：涉及来自热解和氧化阶段的产物，气体混合物和焦炭反应形成最终合成气。该步骤的关键反应包括变换反应、布多尔反应（Boudouard reaction）、水煤气变换反应（water-gas shift, WGS）和甲烷化。还原步骤的温度显著影响合成气组成和性质。此外，焦炭的反应性（由加热速率、热解温度、无机组分和热解压力等因素控制）决定了还原反应的速度和气化过程的停留时间。
在某些气化炉类型中，如流化床和等离子体，没有清晰的空间可区分反应区。虽然单个反应区在空间上不分离，但热解、氧化和还原等关键现象仍然发生，尽管是以分散和同时的方式在流化介质内进行。因此，它们的建模和分析需要基于多相动力学和反应器流体动力学的方法，而非基于空间分层。然而，重要的是要澄清，虽然反应器类型显著影响气化过程发生的速率，但它并不从根本上改变化学反应本身的性质。这一原理与经典反应工程基础一致，其中反应器设计主要影响转化率、停留时间和传热/传质效率，但不影响所涉及化学反应的化学计量或路径。
气化出口是氢气、一氧化碳、轻质烃、二氧化碳的混合物，并且还会产生不需要的副产品，如颗粒物、无机污染物、有机污染物（焦油）和灰分。气体净化前粗气中的组成、焦油含量和粉尘含量可通过温度、水分、气化剂、气化炉几何形状等因素进行调整。气化后的焦油或不需要的副产品必须在净化和预处理部分去除，以生产高质量合成气。部分氧化、焦油裂解和蒸汽重整是转化这些副产品的潜在机制。粗合成气的显热可用于该反应，通过将过程集成在气体离开气化炉时进行。
因此，气化后的后续步骤涉及合成气净化。净化方法包括过滤、淬火/洗涤以及不同的吸附技术，这些取决于气化过程中使用的原料和合成气应用要求。焦油重整技术使用热和/或催化方法将焦油和重质烃分解为H
2和CO。用于去除多种污染物的集成多系统方法被认为对于有效的合成气净化至关重要。对于旨在生产BioSNG的气化厂，在甲烷化反应中实现反应物（H
2和CO）的正确浓度至关重要。因此，预处理需要调整用于BioSNG生产的H
2/CO摩尔比，该比值应约为3。该比值的调整可通过WGS反应（CO + H
2O ? H
2 + CO
2）在催化剂辅助下完成。
BioSNG可通过甲烷化生产，其中净化和预处理后的合成气中的一氧化碳和氢气在放热反应中转化为甲烷。镍是甲烷化的典型催化剂，因其选择性、活性和成本效益，其他金属如Ru、Rh、Pt、Fe和Co也可使用。注意这些催化剂易受硫和氯等毒物的影响。甲烷化过程后，需要对粗合成天然气进行最终提质。该提质涉及去除二氧化碳和水以满足监管质量规格。
**3. 气化技术**
近几十年来，气化反应器有了显著发展，可满足各种应用。当前商业化的气化技术根据供热方式、供气化剂类型和反应器类型等因素进行分类。气化炉通常属于三大主要类别：固定床（下吸式、上吸式和横吸式）、流化床（鼓泡式和循环式）以及气流床。此外，等离子体和回转窑气化炉也已商业化。每种类型服务于特定的操作规模，与生物质的特性和合成气的预期应用相一致。
有多篇文献强调了不同类型气化炉的优缺点，例如常规气化炉（固定床、流化床、气流床、回转窑和等离子体反应器）以及新兴技术（催化、微波、离子和超临界水气化炉）。在此，研究人员总结了可用的气化炉技术，重点关注与生产BioSNG相关的特性。
**3.1. 固定床气化炉**
固定床气化炉是一种使用慢速移动系统的技术。它们可分为（i）上吸式、（ii）下吸式或（iii）横吸式。在常规上吸式气化炉中，生物质从顶部进入，气化剂从侧面或底部进入。合成气向上通过反应器并在床层上部输出，而灰分落到底部。在下吸式反应器中，原料从顶部进入，气化剂从侧面或顶部进入，合成气向下移动到床层底部。在横吸式气化炉中，生物质进料和除灰垂直进行，而气化剂从侧面水平引入。横吸式反应器是固定床气化炉设计中不太常见的配置，其特点是气化剂从侧面横向注入，水平流过生物质床层。这种几何形状促进了原料的快速燃烧，可实现更快的热响应并产生高温合成气。这些气化炉在小型热电联产应用中可实现合理的能效；然而，由于控制焦油含量和合成气非均匀性的挑战，尤其是在使用剩余生物质时，其商业部署受到限制。因此，其操作需要严格控制条件和均匀的燃料组成以维持稳定性能。在这种固定床气化炉中，燃烧区和还原区集中在空气入口附近，合成气从反应器对面一侧抽出。这种配置允许快速响应和高温操作，但由于气体在高温区的停留时间短，通常导致焦油裂解不完全。
固定床气化炉的操作温度范围为900至1200°C，压力范围为1至100 bar。该技术的特点是停留时间较长，通常为5至30分钟，取决于反应器配置和操作条件。这种较长的停留时间是固定床气化炉区别于其他类型（如流化床和气流床气化炉）的关键特征。它通过促进进料材料更有效的分解，在操作过程中发挥关键作用。这有助于减少废物，从而优化输入物向能源产品或合成气的转化。上吸式气化炉通常产生的合成气热值较低，焦油含量高于其他气化技术。因此，为了改善合成气质量，特别是其组成和热值，有必要在较高温度下操作，并优化空气流量以增强部分氧化反应。
固定床气化炉对生物质原料具有灵活性，允许颗粒尺寸变化大，水分含量范围为5%至55%。然而，需要注意的是，与其他类型气化炉不同，固定床气化炉可能需要某种形式的预处理（例如烘焙和造粒）来适应原料。
这些技术在技术就绪水平（technology readiness level, TRL）方面已达到高级成熟度。大多数固定床气化炉处于TRL 9级，表明这些设施已成功通过实验和示范开发阶段，在真实操作环境中实现了全面验证。无论是上吸式还是下吸式配置，固定床气化炉以其简单的结构和操作而闻名。它们具有高碳转化率、长固体停留时间以及低灰分和焦油夹带等优点。特别是上吸式过程以其高热效率著称，尽管存在产生富含焦油气体以及由于更高资本投资和生产成本导致电力成本较高的缺点，而下吸式固定床系统的经济性能与其规模密切相关，较大的装置显示出整体更好的经济性能。
**3.2. 流化床气化炉**
流化床气化炉是一种充分搅拌的反应器，其中固体生物质颗粒床层被向上流动的气体悬浮和搅动，如图3所示。这种连续混合过程促进了整个床层的均匀温度。进入反应器的气体（可能含有氧气、蒸汽和循环合成气）必须足以使颗粒悬浮在床层中，但又不至于高到将其带出反应器。随着颗粒被气化，它们变得更小更轻，这可能导致它们被夹带出反应器。床层内的温度必须保持在生物质初始灰熔融温度以下，以防止颗粒团聚。通常在各种气化炉下游使用旋风分离器，从产物气流中去除较大的夹带颗粒。在循环流化床气化炉（CFB）中，旋风分离器捕获固体颗粒，如未转化的焦炭和床层材料，然后将其循环回反应器以提高转化效率并维持气化炉内的生物质负载。相比之下，在鼓泡流化床气化炉（BFB）中，旋风分离器主要功能是将颗粒物从合成气中分离出来，因为这些系统不涉及连续固体循环。
在流化床气化炉中，床层由沙子、橄榄石、石灰石、白云石或氧化铝等材料组成，并用空气、氧气和/或蒸汽流化。与固定床气化炉相比，流化床气化炉表现出改进的混合能力和更高的传热速率，导致更均匀的床层，并最终获得更高的反应速率和转化率。此外，与上吸式气化炉相比，流化床气化炉具有更高的质量流量、进料灵活性、可扩展性以及适中的焦油和颗粒物产量。流化床气化炉在生物质灵活性和原料规格方面具有显著优势，不同类型的反应器可适应不同的需求和产量规模。
在流化床气化中，强烈推荐使用小颗粒尺寸的生物质（<40 mm），因为引入反应器的生物质颗粒越小，其比表面积越大。这减少了从颗粒壁到中心所需的热传递时间，导致更高的化学反应速率。此外，使用小颗粒有助于实现更高的总气体产率（更高的H
2浓度），以及更低的碳和焦油产率。建议原料中水分含量约为15%（重量比）。流化床气化中的合成气提质过程涉及使用机械、热和催化方法从合成气中去除焦油。
生物质流化床气化炉由于几个关键优势而具有高度可扩展性：（i）它们可以处理多种生物质类型，这对于适应燃料可用性变化的场景至关重要；（ii）它们还可以处理小颗粒的生物质，为选择原料提供了灵活性；（iii）它们产生适量的焦油和颗粒物，使得在不同生产规模下更容易进行副产品管理；以及（iv）它们可以以鼓泡（BFB）或循环（CFB）模式运行，从而适应各种应用和生产规模。这种多功能性和灵活性有助于其可扩展性。
**3.3. 气流床气化炉**
在气流床气化炉中，细磨的生物质与气化剂（通常为蒸汽和氧气）一起以并流配置注入反应器。与空气吹扫系统不同，这些气化炉通常使用氧气作为氧化剂以提高能效。燃料和气化剂同时同方向进入反应器，由于高操作温度和细颗粒尺寸，促进了快速反应。该过程导致固体燃料温度迅速升高并与其与氧化剂反应。气流床气化炉的独特之处在于材料在气化炉中的停留时间很短，通常为秒级。由于停留时间短，气流床气化炉必须在高温下操作以实现高碳转化率。因此，大多数此类气化炉使用氧气代替空气，并在高于熔渣温度下操作。煤的气流床气化在整体煤气化联合循环（IGCC）工厂和化学工业中已有商业用途，但生物质的商业实施仍有待进行。
高温操作导致熔渣形成以及一些熔融炉渣被夹带在粗合成气中。通过保持生物质颗粒温度均匀来实现合成气提质，这允许更完全的反应并改善所产气体的质量。通常，温度和停留时间影响气体组成和气化效率，而颗粒尺寸对H
2/CO比率的影响最小。由于高操作温度和所需氧化剂量相对较大，产生的粗合成气含有大量显热。此外，气流床气化炉具有处理各种生物质的灵活性，无论其团聚行为或细颗粒含量如何。该技术要求生物质颗粒尺寸减小，理想情况下不超过2 mm，并且水分含量低，最好低于5%。值得注意的是，虽然低水分含量是优选的，但该气化炉仍允许处理略高的百分比，从而在生物质组成方面提供操作灵活性。
**3.4. 回转窑气化炉**
回转床气化炉或回转窑反应器的缓慢旋转确保了均匀的热量分布，有利于将材料高效转化为合成气。旋转床朝向出口端的倾斜促进了进料材料沿反应器移动，从而允许长时间暴露于气化条件。在炉底注入气化剂促进了与进料材料的有效化学反应，从而产生所需的合成气。
这种气化炉以其在处理各种类型和尺寸生物质颗粒方面的显著灵活性而著称。它可以处理极小的生物质颗粒，甚至小于1 mm，从而能够有效管理细碎的生物质。此外，它允许使用较大的颗粒，最大可达50 mm，为处理具有不同颗粒尺寸分布的生物质开辟了可能性。这种多功能性不仅限于颗粒尺寸，因为回转床气化炉可以处理不同类型的生物质。
回转窑反应器在较宽的温度范围内操作，从约450°C的低至高达1000°C。这种温度可变性允许适应不同的处理要求，无论是最大化气化效率还是满足特定生产目标。在压力方面，回转窑反应器也提供灵活性，在20至80 bar的压力范围内操作。该技术使用较长的停留时间，有助于获得高质量合成气。
**3.5. 等离子体气化炉**
等离子体气化是一种创新技术，它使用通过等离子体火炬在1至30 bar压力下电离的气体（温度高达10,000°C）将原料分解为合成气并形成炉渣。原料从腔室顶部引入，而气化剂从反应器侧面引入以激活反应。等离子体产生一个超高温的导电柱，导致反应器内高温，从而使生物质蒸发和电离。与常规气化相比，该技术更有效地利用能量来产生引发气化反应的自由基，加速燃料颗粒中碳的转化。
等离子体气化增强了生物质原料的灵活性，因为它允许处理几乎任何类型的原料和颗粒尺寸，通常在6 mm范围内。该技术可用于将危险和非危险废物（如城市固体废物、生物质、轮胎和衍生燃料）分解为气相产物。生物质进料在等离子体辅助气化下变得更加多功能和高效，扩大了可用生物质选项的范围，并改善了向合成气的转化。此外，由于应用高温，它可以处理具有不同水分百分比的生物质。等离子体气化中的停留时间极短，因为等离子体火炬产生的极高温度导致了非常快速的反应动力学。因此，气化过程在毫秒到几秒内发生。
等离子体气化炉的可扩展性面临一些挑战，特别是在热等离子体所需的高能量输入方面。等离子体气化技术被归类为中等至高的TRL（约8）。尽管在TRL方面取得了进展，但尚未达到所有级别，表明仍有改进空间。该技术已在相关操作环境中进行了原型示范和验证；然而，商业成熟度超越了TRL，侧重于实际和经济考虑。需要强调的是，高能量需求，大约每吨城市固体废物1200至2500 MJ，可能从操作和经济角度来看都是一个重大挑战。与发电为等离子体反应器提供动力相关的成本可能会影响该技术的商业可行性。
**3.6. 新兴技术**
四种新兴气化炉技术正在开发中：（i）催化式、（ii）微波式、（iii）离子式，以及（iv）超临界水气化炉。根据国际能源署（IEA）的数据，这些技术已实现TRL 5以上，表明在相关环境中成功测试，并具有近期部署的潜力。催化生物质气化技术涉及两阶段过程，其中首次气化步骤之后是催化重整或净化阶段。使用镍基或白云石等催化剂来增强焦油重整并增加氢气产率，从而改善合成气质量并减少下游净化要求。微波辅助气化是等离子体气化的一种变体，其中微波辐射作为热源，产生局部的、高温等离子体区域。离子气化炉使用电离气体（等离子体电弧）达到超过3000°C的温度，允许将有机物几乎完全转化为增值产品。超临界水气化炉可以在超临界水条件（374°C和22.1 MPa）下操作。当所使用的生物质具有高水分含量时，它是有利的，因为该溶剂直接与生物质接触，并且超临界条件在过程中提高了溶解度。
**3.7. 气化技术比较**
在本综述中，考虑用于生产适合合成BioSNG的合成气的气化炉包括下吸式、上吸式和横吸式固定床、鼓泡和循环流化床、气流床、等离子体和回转窑，该选择基于这些设备在生物质气化方面的背景。表1总结了这些气化技术的主要优缺点。固定床气化炉因其低成本而适用于小型操作，但随着规模增加，流化床气化炉因其可扩展性和相对于气流床及等离子体气化炉更低的成本而变得更高效。然而，增加气化炉生产能力的两种主要策略是放大和数量倍增。放大包括扩大单个单元的物理尺寸和容量，这通常需要重新设计组件和调整操作参数以处理更大体积。相比之下，数量倍增涉及平行安装和操作多个单元，同时保持每个单元的原始尺寸和设计。后一种方法在模块化技术中常见，因为它允许增加总生产能力而无需面对通常与放大相关的技术和经济限制。使用数量倍增使得即使技术的单个容量有限，也能实现比单个单元所能提供的更大的总体生产规模。这意味着，单元的标称规模不应作为将技术排除在分析之外的唯一原因，特别是当该技术在气体质量、原料灵活性或法规合规性等领域提供显著优势时。
如表1所示，回转窑和等离子体气化炉可以处理高水分生物质和较大颗粒，提供更大的多功能性，而气流床气化炉在生物质方面灵活性较差。较高的操作温度增强气化反应，导致更高的H
2和CO产率以及更少的焦油。等离子体和气流床气化炉在高温下操作，可产生高质量合成气。然而，较低的气体出口温度对于下游过程是理想的，上吸式气化炉在这方面表现最佳。下吸式气化炉的合成气产率高于上吸式类型。鼓泡床气化炉实现最高产率，使其对生物质气化非常高效。循环流化床和等离子体气化炉也表现良好，而回转窑由于其较低的温度，产率较低。气流床气化炉由于其生物质兼容性低，显示出最差的合成气产率。
尽管横吸式气化炉在紧凑设计和快速热响应方面具有特定优势，但由于其在使用剩余生物质作为原料的商业应用中代表性有限，因此未纳入多准则分析。关于其在BioSNG生产背景下的技术、经济和环境性能的可用文献稀少且分散。缺乏关于气体质量、转化效率和操作成本的可比数据，阻碍了其在本文研究框架内的客观评估。尽管如此，横吸式气化炉在特定领域的潜力得到承认，其纳入可在未来研究中考虑。
最佳气化炉类型的选择取决于具体应用和环境。这必须考虑多个准则，包括经济可行性、处理原料可变性的操作灵活性、维护需求、生产通量、能源效率、合成气组成和质量，以及环境性能。表2提供了气化炉中不同参数的定量和定性比较，这些参数可能影响针对给定应用的最佳气化炉类型的选择。
对于BioSNG的生产，建议将合成气的H
2/CO比值调整为大约3。对于甲烷化，中等至高的CO浓度是理想的。此外，如果H
2/CO比值低于3，可以通过水煤气变换反应进行调整。另一方面，减少CO
2的产生对于用于甲烷化的合成气至关重要。下吸式、鼓泡床和回转窑气化炉可产生低CO
2浓度的合成气。等离子体、上吸式和气流床气化炉也可实现低CO
2水平，但其典型浓度范围更宽。循环床气化炉同样表现出广泛的CO
2浓度范围，但其下限高于其他气化炉类型。
焦油生产的挑战主要出现在上吸式气化炉中，观察到焦油生成增加。相反，等离子体气化炉几乎不产生焦油，而下降式和回转窑也有较低焦油生成。气流床和流化床气化炉具有更宽的焦油范围，但可产生低浓度。表2中的数据为选择气化设备提供了通用指南。
多种气化技术目前已在多个国家的示范或商业规模项目中实施。欧洲和北美的记录示例包括使用固定床、流化床和气流床气化炉的工厂。这些设施应用于热电联产（CHP）、工业锅炉运行、费托合成（Fischer–Tropsch）生产液体燃料以及BioSNG生产。此类实施的示例包括位于Skive（丹麦）、Güssing和Oberwart（奥地利）的工厂，以及由G?teborg Energi和E.On在瑞典开发的BioSNG生产项目。这些发展代表了生物质气化作为生产可持续能源载体可行方案的重要进展。
**4. 用于BioSNG的气化炉选择**
多准则决策（MCDM）方法已广泛应用于化学工程领域。在此，气化炉选择矩阵是根据Kaneesamkandi等人提出的方法开发的，并辅以用于化学工程设备选择的层次分析法（AHP）权重方法。采用理想解相似度排序技术（TOPSIS）方法对性能属性的值进行归一化并分析选择矩阵的结果。
多种MCDM技术已被用于支持能源技术选择，特别是在气化背景下。然而，这些技术在表示特定情境或纳入技术/法规约束的能力方面存在显著差异。AHP–TOPSIS因其易于实施以及基于其与理想解的接近程度来区分备选方案的能力而成为最广泛使用的方法之一。然而，以前的研究应用该技术时没有纳入对于BioSNG项目实际可行性至关重要的法规参数，这限制了其结果在存在严格气体质量标准的场景中的直接适用性。
其他方法，如AHP–VIKOR或ANP–TOPSIS，在处理准则之间的相互依赖性或管理它们之间的冲突方面具有优势。然而，这些方法也需要更多的数据输入并呈现更高的方法复杂性，这可能会阻碍其实际应用，特别是在跨多个生产规模工作时，或者当并非所有技术维度都有专家意见可用时。
所提出的决策方法主要侧重于技术准则，而非成本相关准则。资本投资估算来自全球一些领先的气化炉制造商，而运营成本则基于文献中报告的值。决策矩阵考虑了不同类别，包括（i）经济可行性、（ii）操作灵活性、（iii）设备特性、（iv）生产通量、（v）过程性能、（vi）合成气质量，以及（vii）环境性能。表3列出了每个类别或子组中的选定准则以及每个准则使用的测量单位。决策矩阵旨在将这些准则中的每一个优化到其最佳水平。例如，原料灵活性被最大化以避免生物质预处理。容量相关准则根据特定需求和分析场景的具体生产约束所定义的目标合成气产率进行评估；技术复杂性被最小化，因为它影响设备操作、过程控制以及投资、运营和维护成本。焦油产率被最小化，因为它对合成气提质过程是不期望的且昂贵的。CO
2浓度被最小化，因为它会降低甲烷化反应中的CH
4生产率；CO和H
2浓度被最大化，因为它们在甲烷化反应中作为反应物的重要性。目标H
2/CO摩尔比设定为3，由甲烷化反应决定。气体产率和碳转化率被最大化，以充分利用生物质输入；冷煤气效率被最大化，以尽可能多地保留生物质的热值在所产生的合成气中。
标记为“评分”的准则对应于定性变量转换为定量数据，或定量数据经过归一化以避免优化过程中的伪影。运营成本、技术复杂性和生物质灵活性根据文献中报告的值范围按1至4的离散等级评分。对资本成本和焦油产率应用对数归一化，这些变量具有高度偏斜分布和/或宽范围值。对于其余定量变量，使用欧几里得归一化方法。这种定制方法确保了跨准则的更平衡评分，并最小化了决策过程中异常值的影响。
熵权法用于计算聚类在子组中的每个准则的相对权重。实施AHP方法以估计每个子组的权重，并通过成对比较在决策矩阵中评估每个子组的相对重要性。选择线性判断尺度，因为其在一致性和优先级分配之间取得了平衡。该尺度范围从1到9，其中1对应于同等重要性的准则，9对应于极端重要性的准则。
表4展示了使用AHP方法评估评估组相对重要性的成对比较矩阵。对于BioSNP生产的气化炉选择，该评估基于确保满足BioSNG注入天然气输配管网法规要求的需求。特别是，BioSNG注入标准如EN 16723-1和EN 16723-2，这些标准确立了气体注入管网的质量规格。在此背景下，优先考虑与法规合规性最直接相关的准则，即合成气质量和过程性能，在AHP矩阵中获得了最高的相对重要性。矩阵中的值通过专家判断使用Saaty基本尺度定义，该尺度常用于AHP评估。在本研究中，评估由具有热化学过程和可再生气体生产经验的专家进行，考虑了BioSNG注入天然气管网的具体应用。分配的权重反映了法规合规性优先级，特别关注合成气质量和过程性能，这对于满足甲烷含量、污染物去除和能量含量等规格至关重要。例如，“经济”准则的评分显著高于其他准则（在原料灵活性和设备特性上得分为8），反映了工业实施的成本驱动性质；“过程性能”和“合成气质量”的评分高于大多数准则（例如，比容量或环境因素重要4到6倍），因为实现稳定的转化效率和清洁、高质量的合成气对于瞄准管网注入的BioSNG项目至关重要；而“环境”方面虽然相关，但与技术可行性和合规驱动因素相比，评分较低。对于环境因素，没有使用综合方法如生命周期评估（LCA），而是仅考虑了温室气体和颗粒物排放，因为对于不同气化炉的生物质气化，缺乏可靠且可比较的LCA研究。这种结构化的判断过程确保了透明性，并与可再生气体部署背景下的技术和法规优先级保持一致。
使用蒙特卡洛模拟来估计结果的置信区间。在本研究中，产生了200,000次模拟，通过随机改变参数±10%（当低于参数上限时）。所得一致性比在0.02到0.05之间，表明在准则的成对评估以及AHP矩阵波动的容忍度方面具有令人满意的连贯性水平。
该模型将选择问题组织成表3中所示的七个子组。每个子组由反映影响气化炉选择的关键属性的具体准则组成，并且这些准则连接到本研究中考虑的七种气化技术。该结构用于实施该方法。方法实施的细节在补充材料中提供。
根据成对比较矩阵和单个准则，计算了技术选择过程中每个准则的权重，表明：气体质量成为最具影响力的评估子组，突显了合成气组成对于下游应用（如甲烷化和管网注入）的重要性。在该子组内，合成气中的CO
2浓度在所有单个准则中获得了最高权重，表明需要最小化CO
2以确保甲烷合成效率和法规合规性。焦油产率和H
2/CO摩尔比也显示出显著权重，确认了它们对于气体纯度和与催化提质过程兼容性的重要性。过程性能是第二重要的子组，表明能效指标的重要性。合成气产率具有显著权重，强调了最大化每单位生物质气体输出的技术的优势。冷煤气效率紧随其后，反映了通过气化过程能量含量被有效保留的程度。经济准则代表第三重要的子组。运营成本贡献的权重显著高于资本成本，表明长期运营费用在技术选择中比初始投资成本更具决定性。环境准则获得了中等总体权重。虽然环境影响被公认为这些技术采用的重要因素，但它在不同技术之间的变异性低于性能和气体质量指标。容量获得了相对较低的组合权重，并非由于数据在技术间的低变异性，而是因为在本研究定义的背景下，它被分配了较低的相对重要性。这归因于容量不是受BioSNG注入天然气管网法规要求约束的参数，因此，在决策过程中被视为次要因素。设备特性和原料灵活性显示出最低的总体影响。这可能表明在这些方面气化炉之间的差异较小，或者在定义背景下对最终决策的影响有限。
总之，这种基于熵的分析突出了气体质量、过程效率和运营成本作为评估用于BioSNG生产的气化技术的最关键因素。这些权重作为基于情景的TOPSIS分析的基础。
TOPSIS分析的结果提供了气化技术的排名和置信区间。用于BioSNG生产的技术排名平均如下：（1）下吸式，（2）流化床（鼓泡式），（3）上吸式，（4）等离子体，（5）循环床，（7）回转窑，（8）气流床。从蒙特卡洛模拟来看，下吸式和鼓泡流化床气化炉始终被评为最有利的选项，因为它们结合了高热效率、低水平合成气杂质以及适中的运行成本。在所分析的背景下，这些特性将使这些气化炉能够满足法规对于BioSNG注入天然气管网的要求，而不影响项目的技术或经济可行性。相比之下，气流床和回转窑技术由于与剩余生物质的兼容性较低、技术复杂性较高以及操作需求较高，始终排名最低。重要的是要强调，至少有十二个商业或示范工厂使用下吸式
