第頁(yè)生物質(zhì)熱解技術(shù)的分析及應(yīng)用展望Keywords:biomass;pyrolysis;pyrolysisprocess;pyrolysisproducts

0前言

人類世界正在面臨著前所未有的能源危機(jī)。當(dāng)前，人類社會(huì)所需要的能源主要來(lái)自礦物燃料，包括煤炭、石油、天然氣等，但是這些資源正在逐步日益耗盡，其儲(chǔ)量已難以在滿足未來(lái)的發(fā)展需要。因此，開(kāi)發(fā)和找尋新的可替代能源的任務(wù)迫在眉睫。生物質(zhì)能源屬于一種可再生能源，而且來(lái)源豐富，可以作為滿足未來(lái)發(fā)展的一種重要的可再生能源。通過(guò)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)可高效地利用生物質(zhì)能源，且其開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)化技術(shù)較容易實(shí)現(xiàn)，既可利用生物質(zhì)能的熱能效應(yīng)又可以將簡(jiǎn)單的熱效應(yīng)充分轉(zhuǎn)化為化學(xué)能等高品位的能源，生物質(zhì)熱解技術(shù)便為這種轉(zhuǎn)換提供了技術(shù)保障。

生物質(zhì)熱解技術(shù)是指在無(wú)氧或低氧的條件下，將由高分子組成的生物質(zhì)在高溫下加熱，通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)使之裂解為低分子化合物的技術(shù)方法。生物質(zhì)熱解的燃料能源轉(zhuǎn)化率可達(dá)95.5%，最大限度的將生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品，從而物盡其用，同時(shí)，熱解也是燃燒和氣化必不可少的初始階段。1熱解技術(shù)原理及反應(yīng)過(guò)程

1.1生物質(zhì)熱解原理

生物質(zhì)在熱解過(guò)程是一系列復(fù)雜的化學(xué)、物理反應(yīng)，包括一系列的能量傳遞和物質(zhì)傳遞。生物質(zhì)通常是木材、竹材、灌木、野草、秸稈等天然有機(jī)材料的統(tǒng)稱，其主要化學(xué)成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。研究說(shuō)明，3種組份常被假設(shè)獨(dú)立開(kāi)展熱分解，纖維素在52℃時(shí)開(kāi)始熱解，隨著溫度的升高，熱解反應(yīng)速度加快，到350～370℃時(shí)，分解為低分子產(chǎn)物；半纖維素構(gòu)造上帶有支鏈，主要在225～325℃分解，比纖維素更易熱分解，其熱解機(jī)理與纖維素相似；木質(zhì)素是具有芳香族特性的、非結(jié)晶性的、具有三維空間構(gòu)造的高聚物，主要在200～325℃分解。

在生物質(zhì)熱解過(guò)程中，熱量首先傳遞到顆粒表面，再由表面?zhèn)鞯筋w粒內(nèi)部。熱解過(guò)程由外至內(nèi)逐層開(kāi)展，生物質(zhì)顆粒被加熱的成分迅速裂解成木炭和揮發(fā)分。其中，揮發(fā)分由可冷凝氣體和不可冷凝氣體組成，可冷凝氣體經(jīng)過(guò)快

速冷凝可以得到生物油。一次裂解反應(yīng)生成生物質(zhì)炭、一次生物油和不可冷凝氣體。在多孔隙生物質(zhì)顆粒內(nèi)部的揮發(fā)分將進(jìn)一步裂解，形成不可冷凝氣體和熱穩(wěn)定的二次生物油。同時(shí)，當(dāng)揮發(fā)分氣體離開(kāi)生物顆粒時(shí)，還將穿越周圍的氣相組分，在這里進(jìn)一步裂化分解，稱為二次裂解反應(yīng)21。生物

質(zhì)熱解過(guò)程最終形成生物油、不可冷凝氣體和生物質(zhì)。

圖1生物質(zhì)熱裂解過(guò)程示意圖

1.2生物質(zhì)熱解反應(yīng)過(guò)程

根據(jù)熱解過(guò)程可分為以下三個(gè)階段3：

（1）干燥階段（溫度為120～150℃），該階段主要是發(fā)生物理變化，生物質(zhì)中的水分開(kāi)展蒸發(fā)，物料的化學(xué)組成基本不變。

（2）預(yù)熱解階段（溫度為150～275℃），物料的熱反應(yīng)比較明顯，化學(xué)組成開(kāi)始變化，物料發(fā)生一定量的質(zhì)量損失，生物質(zhì)中的不穩(wěn)定成分如半纖維素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物質(zhì)。

（3）固體分解階段（溫度為275～475℃），熱解的主要階段，物料發(fā)生了各種復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的分解產(chǎn)物。生成的液體產(chǎn)物中含有醋酸、木焦油和甲醇（冷卻時(shí)析出來(lái)）；氣體產(chǎn)物中有CO2、CO、CH4、H2等，可燃成分含量增加。

（4）炭化階段（溫度為450～500℃），生物質(zhì)依靠外部供應(yīng)的熱量開(kāi)展木炭的燃燒，使木炭中的揮發(fā)物質(zhì)減少，最終形成了生物炭。

實(shí)際上，上述四個(gè)階段反應(yīng)過(guò)程會(huì)相互交叉進(jìn)。

2生物質(zhì)熱解工藝類型及產(chǎn)物分析

2.1生物質(zhì)熱解工藝類型

通常根據(jù)生物質(zhì)的加熱速率和反應(yīng)時(shí)間可將生物質(zhì)熱解工藝分為慢速熱解、快速熱解兩種方式。慢速熱解工藝又可分為炭化和常規(guī)熱解。一般說(shuō)來(lái)，慢速熱解在較低的反應(yīng)溫度和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間條件下開(kāi)展熱解，是一種炭化過(guò)程，產(chǎn)物以木炭為主，大約占重量的30%，占能量的50%；快速熱解是將磨細(xì)的生物質(zhì)原料放在快速熱解裝置中，嚴(yán)格控制加熱速率（一般大致為10～200℃/s）和反應(yīng)溫度（控制在500℃左右），生物質(zhì)原料在缺氧的情況下，被快速加熱到較高溫度，從而引發(fā)高分子的分解，產(chǎn)生了低分子氣體和可凝性揮發(fā)分以及少量焦炭產(chǎn)物，快速熱解完成的時(shí)間非常短，故又稱為閃速熱解4~5。與慢速熱解相比，快速熱解的傳熱反應(yīng)過(guò)程發(fā)生在極短的時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)烈的熱效應(yīng)直接產(chǎn)生熱解產(chǎn)物，可以最大限度的生產(chǎn)液態(tài)焦油，液態(tài)焦油與原生物質(zhì)比較具有較高的能量容積密度，且容易處理、儲(chǔ)存和運(yùn)輸，代表了今后生物制轉(zhuǎn)換和利用的方向。

2.2生物質(zhì)熱解產(chǎn)物分析

生物質(zhì)熱解過(guò)程最終會(huì)生成氣態(tài)燃?xì)狻⒁簯B(tài)焦油和固態(tài)半焦三種成分。3

種成分的比例取決于熱解工

藝的類型和反應(yīng)條件。一般情況下，低溫低速且溫度不超過(guò)580℃熱解時(shí)，產(chǎn)物主要以固態(tài)半焦為主；高溫快速且熱解溫度范圍在700～1100℃熱解時(shí)，產(chǎn)物主要以不可凝的氣態(tài)燃?xì)鉃橹鳎划?dāng)中溫閃速且熱解溫度在500～600℃時(shí)，產(chǎn)物主要是液態(tài)焦油為主，可到達(dá)60%～80%。其中，產(chǎn)物中的不可凝氣態(tài)燃?xì)獬煞种饕蒆2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4等組成,可以通過(guò)氣相測(cè)譜儀來(lái)測(cè)定其組成成分；液態(tài)焦油的含氧量高，吸濕性強(qiáng)，長(zhǎng)時(shí)間貯存會(huì)發(fā)生相分離及沉淀,因此，在大規(guī)模利用前，必須對(duì)其開(kāi)展精制處理,其具體構(gòu)造組成可以通過(guò)質(zhì)譜儀來(lái)測(cè)定；固態(tài)半焦可被加工成活性炭用于化工和冶煉，這些應(yīng)用可以為化工及冶煉工作帶來(lái)一定的便利。其構(gòu)造組成可以通過(guò)掃描電鏡來(lái)分析5。

3生物質(zhì)熱解技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用展望

3.1生物質(zhì)熱解技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

生物熱解的燃料能源轉(zhuǎn)化率可達(dá)95.5%，最大限度地將生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品，是生物質(zhì)能利用技術(shù)的主要方法之一，并越來(lái)越得到重視，這說(shuō)明了生物質(zhì)熱解技術(shù)本身所具備的明顯的優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）生物質(zhì)熱解技術(shù)對(duì)于原料的種類沒(méi)有嚴(yán)格要求，城市固體廢棄物，農(nóng)業(yè)、林業(yè)廢物都能氣化。

（2）生物質(zhì)熱解產(chǎn)物主要為氣態(tài)燃?xì)狻⒁簯B(tài)焦油和固態(tài)半焦，可以根據(jù)不同的需要加以利用，而直接燃燒生物質(zhì)的方法只能利用其熱能。

（3）與生物質(zhì)氧化氣化和直接燃燒相比，熱解可以簡(jiǎn)化污染控制，生物質(zhì)在無(wú)氧或者低氧的條件下熱解時(shí)污染物排放少。

（4）熱解氣化技術(shù)用于供熱發(fā)電與直接燃燒的成本相當(dāng)，甚至與包括天然氣聯(lián)合循環(huán)在內(nèi)的所有其他發(fā)電技術(shù)的成本相比同樣具有競(jìng)爭(zhēng)力6。

（5）產(chǎn)物中的硫、重金屬等有害成分大部分被固定在炭黑中，可以回收重金屬，進(jìn)一步減少污染。

3.2生物質(zhì)熱解技術(shù)應(yīng)用前景

能源短缺是21世紀(jì)人類將面臨的重大問(wèn)題，而生物質(zhì)來(lái)源非常豐富，在礦物能源日益緊缺的今天，生物質(zhì)熱解技術(shù)無(wú)疑為這些難題提供了十分有效的保障。此外。低品位的燃料已經(jīng)不能適應(yīng)人類發(fā)展的需求，因此生物熱解技術(shù)通過(guò)將簡(jiǎn)單的熱效應(yīng)充分轉(zhuǎn)化為化學(xué)能等高品位的能源的這一技術(shù)特點(diǎn)將會(huì)成為未來(lái)生物質(zhì)能發(fā)展的趨勢(shì)，所以說(shuō)生物質(zhì)熱解技術(shù)在當(dāng)今和未來(lái)都會(huì)有著廣泛的應(yīng)用前景，然而需要清醒的認(rèn)識(shí)到，生物質(zhì)熱解機(jī)理研究依然存在著很多問(wèn)題與難點(diǎn)，對(duì)于生物質(zhì)的熱解機(jī)理，就日前人們的研究程度，依然不能夠完整詳細(xì)的表達(dá)出來(lái)。同時(shí)，在生物質(zhì)熱解的產(chǎn)品和技術(shù)應(yīng)用等諸多方面還存