生物質熱解技術研究進展

劉康，賈青竹，王昶

(天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津300457)

摘要：生物質是地球上最豐富的可再生資源，通過熱解實現生物質高效轉化是一種前景廣闊的工藝技術。生物質熱解技術是把低能密度生物質能轉化為高能密度產物以及高附加值化學品的一種新型生物質能利用技術。論述了國內外對熱解技術的研究現狀，分解了生物質的熱解機理，并且指出了熱解技術中需要處理的問題以及今后的主要研究方向。

隨著人們對能源需求的日益增長，作為主要能源的燃料卻迅速減少。據美國能源部和世界能源理事會預測，全球燃料煤、石油和天然氣的可開采年限分別為211年、39年和60年。并且大量化石燃料的使用，導致了全球性溫暖化以及SOx和NOx排放量增加，嚴重污染了大氣環境。因此，尋找一種可再生的環境友好型能源便成為社會普遍關注的焦點。在各種可再生能源中，生物質是神奇的，不僅能貯存太陽能，還是一種可再生的碳源，可轉化成常規的固態、液態和氣態燃料，對生物質能源的有效利用不僅可以減少對化石燃料的使用量，又可以抑制二氧化碳的排放量。

據估計，地球上植物每年通過光合作用固定的碳達2×1011t，含能量高達3×1018kJ，可開發的能源約相當于全世界每年耗能量的10倍。我國生物質能資源相當豐富，理論生物質能資源約有50×108t標準煤，是我國目前總能耗的4倍。生物質能有效利用技術開始于20世紀70年代末期，主要是利用熱化學轉化和生物轉化技術將生物質轉化為氣、液和固態多種能源產物和化學品。熱化學辦法包括：筆直燃燒，氣化和熱解。眾多的研究發現，生物質熱解技術是生物質利用的緊要途徑，尤其隨著人們對熱解產物研究的不斷增加，以獲得最大量液態產物(生物油)為目的的熱解技術的研究和使用越來越受到重視。生物質熱解是生物質在一定的氣化介質條件下，萌生液體(生物油)、氣體(可燃氣)、固體(焦炭)3種產物的生物質熱解降解過程。生物質熱解液化轉化為生物燃油是生物質熱解技術的發展的必然方向。在今后，這一技術必將得到廣泛地發展與使用，并萌生巨大的社會效益與經濟效益。

1熱解工藝

生物質熱解是指生物質在完全沒有氧或缺氧條件下熱分析，最終生成木炭、生物油和不可冷凝氣體的過程。3種產物的比例取決于熱解工藝的類型和反應條件。一般地，低溫低速熱解溫度不超過580℃，產物以木炭為主；高溫快速熱解溫度范圍在700~1100℃，產物以不可冷凝的燃氣為主；中溫閃速熱解溫度在500~650℃，產物中燃料油產率較高，可達到60%~80%。熱解既可以作為一個獨立的過程，也可以是燃燒、炭化、液化和氣化等過程的一個中間過程，其過程筆直決定各熱化學轉化反應動力學，以及產物的組成、特征和分布。按溫度、升溫速率、固體停留時間(反應時間)和顆粒大小等實驗條件。

熱解分為傳統熱解(慢熱解)、快速熱解和閃蒸熱解。生物質快速熱解技術將低品位的生物質(熱值的約莫12~15MJ／kg)轉化成易儲存、易運輸、收率為60%~75%和熱值達16~20MJ／kg的燃料油。生物質氣化可以將固態生物質資源轉化為使用方便而且清潔的可燃氣體，用做燃料或萌生動力。熱解法有分明的優勢：1)生物質熱解產物為燃氣、焦油或半焦，可以依據不同的需要加以利用，而焚燒只能利用熱能；2)熱解可以簡化污染控制。生物質在無氧的或缺氧的條件下熱解時，NOx、SOx、HCl等污染物排放少，而且熱解煙氣中灰量小；3)生物質中的硫、重金屬等有害成分大部分被固定在碳黑中，可以從中回收金屬，進一步減少環境污染；4)熱解可以解決不適于焚燒的生物質，如有毒有害醫療垃圾等。

2熱解裝置

反應器是生物質進行熱解的緊要裝置，是目前國內外關注的焦點。國外的研究主要有美國、加拿大和芬蘭等國，代表工藝為Twenet、GIT、Ensyn、GIEC、NREL和Laval等。常用的熱解反應器具有加熱速率快、反應溫度中等和氣體停留時間短等特征。目前，世界各國通過對反應器的設計，制造及工藝條件的控制，已研發了固定床、流化床、真空移動床、引流床、夾帶流、多爐裝置、旋轉爐、旋轉錐反應器和輻射爐等。而用于商業運行的惟有輸送床和循環流化床反應器。表1列出了國外生物質熱解的主要反應器類型及主要研發機構。

2．1固定床反應器

AyseE.Putun等采用固定床反應器，在不同的操作條件下(終止溫度、載氣流速和升溫速率)對橄欖枝進行了熱分析實驗，得到了類似于石油的液體燃料。RapagnaS等采用煅燒的白云石為催化劑，在流化床中進行了生物質熱解實驗，氣相產物進入固定床用鎳基催化劑進行重整，得到氫氣。申豹雄等采用Y型佛石催化劑在固定床反應器中對廢木材生物質進行了熱分析實驗，制取高附加值的化工原料輕質芳烴。研究發現輕質芳烴的產率隨著催化劑用量的增加有分明的提高，而焦油的產量相對下降。

陳冠益等對稻桿、稻殼和木屑在固定床內的熱解特征進行研究，同時對熱解產物進行了分解。發現3種原料熱解氣的熱值在12000~15000kJ／m3n(n表示標準)之間，產氣率一般為0．25~0

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