1 引言

生物质能作为可再生能源当中的绿色零碳燃料，在国家绘制的“十四五”发展宏伟蓝图和“碳达峰”、“碳中和”(简称双碳)的目标下，生物质能的合理利用成为国家、政府和科学家关心的热点话题^[1]。“生物质气化”是生物质能高效利用的一种最有效的方式^[2]。陈国艳等^[3]在850~950 ℃气化温度下采用煤与美国红柳共气化，通过增加生物质的比例，得到合成气中H₂、CO、CH₄含量先减少后增加。赵琳等^[4]以Fe₂O₃为载氧体的生物质化学链气化系统进行模拟，指出常压下不同生物质气化的优化温度均在740 ℃左右，此温度下制备的合成气、冷煤气效率较高。王潘磊等^[5]基于吉布斯自由能最小化原理对生物质重整气化过程进行了热力学分析，适当提高气化温度可以增大H₂和CO产率、降低CH₄和C产率；H₂O的增加可以提高H₂产率、增大H₂和CO的体积比。近年来，随着国内对清洁燃料领域研究的增加，该领域的相关文献也与日俱增，急剧增加的文献使人们难以对气体燃料领域的知识进行很好地把握以及进行深入地研究。

知识图谱(Mapping Knowledge Domain)是显示知识发展进程与结构关系的一系列各种不同的图形，用可视化技术描述知识资源及其载体，挖掘、分析、绘制和显示知识及它们之间的相互关联^[6]。本文利用CiteSpace软件，对中国知网(CNKI)数据库中含“生物质气化(Biomass gasification)”主题的期刊文献进行图谱量化分析，优化处理后得到文献共1 722条，从期刊发文量、研究机构合作网络、关键词、研究热点及趋势等对近30年的生物质气化相关文献进行梳理，系统综述国内生物质气化研究领域主要内容、研究热点及发展趋势，以期为生物质气化相关学者的研究工作提供借鉴。

2 研究设计 2.1 数据来源与数据处理

本文以“生物质气化(Biomass gasification)”为主题，首先，通过中国知网(CNKI)数据库进行检索，时间跨度设置为1990~2022年，共检索到3 802篇文献；其次，期刊来源限定为SCI、EI、CSSCI和CSCD后，剩余1 747篇高水平文献，经过查找、筛选、导出等过程，最终得到1 722条有关“生物质气化”研究领域的高质量文献，作为本文研究分析样本源；最后，利用CiteSpace可视化软件对文献数据进行转化、处理及分析。

2.2 研究工具

本研究利用的工具为CiteSpace可视化软件，该工具的优势是聚焦于分析一个研究领域发展中的研究热点、主题脉络和前沿趋势，尤其是研究的转折点、关键点和突变性^[7]。

2.3 研究方法

单一的运用文献计量法不足以反映所研究事物的本质特征和发展趋势。本文运用文献计量分析法和内容分析法进行分析，透过研究内容中的显性、隐含或潜在的信息，提炼出生物质气化研究的特征和发展趋势。

3 数据分析 3.1 期刊发文量分析

历年文献发文量的年际变化在一定程度上可以反映该研究领域的理论水平和关注程度^[8]。根据年度统计了近30年CNKI索引库中“生物质气化”相关研究文献，并绘制年度发文量的变化趋势图(图 1)，通过对文献数据分析，这些论文由226个机构的283名作者撰写。

由图 1知，国内对生物质气化领域研究可分为3个阶段，即初出萌芽期(1990~1998年)、蓬勃发展期(1999~2018年)和小幅下降期(2019~2022年)。这是由于1998年后我国农村对于高品位优质能源的需求不断增加，国家政策推行农村地区实施可持续发展战略，在农村大力发展沼气技术，实现生物质能的现代化利用^[9]，故呈逐步上升态势。直到2011年达到最大值283篇，说明此阶段该研究领域呈高速发展，研究较热，随后逐渐趋于稳定，但整体趋势较之前是下降的，平均下降速度为20%，表明生物质气化技术在我国的应用还存在一定的缺陷，如生物质原料多样性和不稳定性、经济性和成本问题、反应温度和热平衡、反应速率和产物分布、气体处理和净化及缺乏配套政策和推广机制等，这些问题需要通过深入研究和技术改进来推动生物质气化技术的发展，而且生物质气化设备利用率低，气化站运营和维护成本很高，且焦油问题很难从根本上得到解决等^[10]均影响了学术研究的产出，解决这些问题需要进一步加强研发和技术创新，完善配套政策和推广机制，促进生物质气化技术产业化和可持续发展。生物质气化设备的研发及气化技术方面的创新将是未来科研人员重点研究的方向，同时需要国家政策的支持，才能更好地推进生物质气化迈向新的台阶。随着全球对可再生能源的需求增加及2007年至2022年发文量呈逐渐上升趋势，可以推测未来生物质气化研究将继续受到重视和支持。目前阻碍生物质气化的首要问题在于初期投资成本过高及气化效率低，致使其在商业化应用上仍面临挑战，生物质气化技术与其他领域的交叉合作是解决此问题的一个重要方向，未来的研究需要不断探索降低气化成本和提高气化效率的方法，以推动该技术的商业化进程。

3.2 核心机构分析

机构共现图能够反映某一研究领域的核心机构及其合作强度，利用CiteSpace软件生成生物质气化研究机构共现图谱(图 2)，以科学地评价研究机构的学术影响力。通过对数据筛选得到发表论文20次及以上的机构10个(表 1)。由图 2可知，发文机构之间的合作关系基本呈单线状形式，仅少数核心机构存在合作。

综合图 2和表 1可知，生物质气化领域核心机构图分布出现明显的分散效应，从文献归属来说，大多来源于科研院所与高校，部分来自企业、行政机构与其他单位。以中国科学院广州能源研究所为中心的五大核心机构形成较大范围的合作网络且合作最为密切；其次，华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院、华东理工大学洁净煤媒技术研究所及华中科技大学煤燃烧国家重点实验室形成合作小团体；众多机构间合作较少，科研能力差距较大。表明我国科研机构更倾向于开展机构内部成员之间的合作，加强各科研机构之间的合作及交流更有助于科研成果的产出。从区域角度看，生物质气化研究主要集中在广东、湖北、北京和西安等经济发展较快且高校科研人员较多的地区，一定程度上说明生物质气化领域的科研能力与本地经济的发展水平呈正相关。但因受到国家政策、产业环境等多方面的影响，生物质气化技术的突破还需该领域科研人员的共同努力。

3.3 关键词共现分析

关键词共现分析就是对文献中作者提供的关键词进行分析，关键词是作者对文章内容的高度凝练和总结，能够反映不同时期内某一领域的研究热点^[11]。

在功能参数中将时间范围设置为1990~2022年，时间切片为1年，其他默认，依据“频次”高、低频词分界公式^[12]：

$ T = \frac{{\left( { - 1 + \sqrt {1 + 8I} } \right)}}{2} $

(1)

式中：I为关键词个数，T为阈值，将关键词数68代入公式得出T = 11.17，由此可得阈值为12，因此关键词频次大于12的为高频关键词有41个，合并意思相近的高频关键词，得到出现频次前10的关键词数据(表 2)。

表格中关键词一列代表分析的对象，排名靠前的关键词表示关键词在不同时间段出现的频次较多，排名越靠前，频次越高，且该关键词出现的年份较早且仍为现在的研究热点；关键词与关联关键词之间存在共现关系，即两端的关键词在同一篇文献出现，关联关键词中越靠前表示两者共现强度越强。由表 2可知，生物质(1609)、气化(742)、生物质气化(630)的排名靠前，关联性较强，是生物质气化研究领域的热点研究主题；焦油(246)、热解(240)、生物质能(218)、流化床(190)、共气化(183)及制氢(162)等关键词次之。中心性大于等于0.10的节点被称为关键节点(生物质气化、生物质、焦油、共气化、热解、气化)，这些节点的关键词在生物质气化研究中起着明显的“桥梁”作用。

3.4 时间线图分析

借助CiteSpace软件的关键词分析功能，对关键词进行聚类分析，绘制出时间线知识图谱表(表 3)及各子领域的主要信息(表 4)，表中有5个聚类，每个聚类的标签都是共现网络中的关键词，这些关键词按照它们在对应时间内所出现的年份，在所属的聚类中铺展开来，显示每个聚类中关键词的发展情况，揭示生物质气化研究的演变过程。

结合表 3和图 1分析可知，生物质气化的演变过程及主要研究主题(表 5)。分析发现：自1990年后聚类#4褐煤开始趋冷，是因为煤炭的大量消耗带来了巨大的能源危机，同时也产生了严重的环境问题。研究发现褐煤对生物质气化具有明显的协同效应和生物质对褐煤气化具有良好的催化效应^[13]，所以2013年再次亮相。目前，化石能源在能源消耗中所占比例仍然占据主要地位，推测生物质与煤共燃主题将会得到持续关注。2008~2022年聚类#0逐渐消沉，关注度降低。主要原因是大规模的气化燃气轮机联合循环发电技术仍未成熟，尚处在示范和研究阶段^[14]，且由于生物质发电厂初期投资较高、电机组热效率低及生物质燃料成本高等原因，使生物质发电成本远高于常规燃煤发电成本^[15]。综上，考虑到电能在品位、应用等方面均高于生物质能，因此多能联产及生物质气化发电是生物质气化领域亟须持续开展的重要内容，也是未来科研人员重点研究的方向。

3.5 关键词突变分析

突变性关键词是指在短时间内突然得到较高关注的关键词，它将更加准确地渗入该研究领域的最新发展区域^[19]，而近期的突变性关键词，可以认为是该领域当前的研究趋势^[20]。通过对1 722篇文献关键词进行前沿分析，得到关于生物质气化的研究热点主要有25个突变词及4个领域(图 3)。

一是对生物质种类、多样性及设备技术改进的研究。包括秸秆、玉米秸秆和固定床等。秸秆不仅在我国产量丰富，而且在全球范围内广泛分布，充分合理利用生物质燃料，不仅能够解决现有能源短缺的问题，而且也能避免大量农作物副产物处理不当而造成环境问题^[21]；目前气化效率最高的固定床为上吸式固定床和下吸式固定床，但处理量较小，且对入炉物料粒径限制较为严格；因此未来生物质研究将集中在玉米秸秆、稻秆等原料，生物质气化炉还需进一步深入研究。

二是对生物质气化技术产业化应用的研究。包括化学链气化、热解气化、水蒸气气化、生物质气化技术、耦合发电、数值模拟、AspenPlus等突变词，突变性最高可达24.76。生物质气化技术实现了CO₂的零排放，节约常规能源，符合可持续发展的要求^[22]，同时也是生产燃料气的最优技术路线，生产的燃料气被广泛应用于燃料电池、汽轮机、发动机或锅炉。

三是对生物质气化反应机理的研究。包括液化、动力学、载氧体、催化、催化剂等，生物质气化根据温度可分为干燥过程(150~200 ℃)、热解过程(200~700 ℃)、氧化过程(1 000~1 500 ℃)、还原过程(600~1 000 ℃)^[23-25]。在“碳中和”背景下，碳捕获利用储存(CCUS)技术研究较热，未来将生物质气化与碳捕获利用储存技术结合外拓研究，可以进一步提高气化过程的环境友好性，同时有助于加快实现碳中和。

四是对生物质气化产物分离和处理的研究。生物质气化的产物主要包括合成气、制氢、氢气及生物油等。因此，研究人员只有致力于开发高效的分离和提纯技术，以提取高纯度的气体燃料，同时利用气化残渣制备高附加值产品，才有助于气化产物高效利用。

由图 3可知，生物质气化技术的研究时间最久，跨度为8年，这也说明了我国生物质气化核心技术仍未成熟，因此从技术方面突破是我国生物质能开发利用的咽喉要塞。未来生物质气化研究的重点除了继续拓展生物质气化原料选择范围及优化气化技术提高气化产物效率外，还应重视其他有毒有害物质的生成及转化机理，同时应对整个气化工艺进行生命周期评价，从而推动气化技术日臻成熟。

4 结论

基于CNKI数据库，通过对近30年出版的关于生物质气化领域的1 722篇研究文献运用CiteSpace5.7可视化软件计量分析，得出以下结论:

(1) 近30年来生物质气化技术开发与利用方面的发文数量快速增加，目前仍处于增长阶段，且生物质气化设备的研发及气化技术方面的创新将是未来科研人员重点研究方向。

(2) 我国生物质气化域研究发文量最多的机构及作者是中国科学院广州能源研究所的吴创之和华中科技大学煤燃烧国家重点实验室的陈汉平教授，科研机构更倾向于开展机构内部成员之间的合作，但技术瓶颈的突破及高质量科研成果的产出仍需要通过各科研机构之间的合作及交流。

(3) 生物质气化领域研究的热点及趋势主要集中在4个领域：围绕生物质原料及设备改进展开的研究(生物质、流化床)；生物质气化技术及其产业化应用展开的研究(生物质气化、共气化、焦油)；生物质气化反应机理的研究(热解、生物质气化与碳捕获利用储存技术相结合)及生物质气化产物分离和处理展开的研究(制氢、生物油)。但相关研究均处于起步阶段，其高质量发展和超前性开发仍需通过创新和深度研究的外扩实现。未来生物质气化的研究在生物质原料外扩、气化反应机理创新、气化反应过程优化和气化产物高值化利用、综合效益评价及“双碳”目标的潜在贡献方面的研究仍具有广阔的科研前景。