生物质热化学科普

生物质热解气化原理与技术生物质热解气化是一种将生物质转化为可用气体燃料的技术。

生物质是指植物和动物的有机物质，如木材、农作物废弃物、动物粪便等。

热解气化是将生物质加热至高温，并在缺氧或氧气限制条件下进行分解，生成可燃气体和固体残渣的过程。

生物质热解气化的原理是通过热解和气化两个过程将生物质转化为气体燃料。

首先，生物质在高温下进行热解，热解过程中生物质的有机物质被分解为气体、液体和固体。

其中，气体主要是一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、甲烷（CH4）等。

液体主要是烃类物质，如醇类、酮类、醚类等。

固体残渣是热解过程中不能分解的物质，主要是炭质物质。

然后，热解产物在气化过程中被进一步转化为可用气体燃料。

气化是在缺氧或氧气限制条件下进行的，通过气化反应将热解产物中的固体炭质物质转化为一氧化碳和氢气。

气化过程中，氧气与炭质物质反应生成一氧化碳，同时一氧化碳与水蒸气反应生成氢气。

生物质热解气化技术具有以下几个优势。

首先，生物质是一种可再生能源，与化石燃料相比具有更低的碳排放。

生物质热解气化能够有效利用生物质资源，减少对化石燃料的依赖。

其次，生物质热解气化可以将生物质转化为多种气体燃料，具有较高的灵活性。

不同类型的生物质可以产生不同成分的气体燃料，可以根据需求进行选择和调整。

再次，生物质热解气化可以利用生物质的多级能量，通过热解气化过程可以同时产生气体、液体和固体燃料。

气体燃料可以直接用于燃烧或发电，液体燃料可以用于替代石油燃料，固体残渣可以用作肥料或再生能源的原料。

生物质热解气化技术的应用具有广泛的前景。

首先，生物质热解气化可以用于生物质能源的开发利用。

生物质能源是一种清洁、可再生的能源，可以用于代替传统的化石能源，减少对环境的污染。

其次，生物质热解气化可以用于生物质废弃物的处理。

农作物废弃物、木材废料等生物质废弃物在经过热解气化处理后可以转化为有用的气体燃料，同时还可以减少废弃物对环境的影响。

生物质热解过程中的产物特性生物质热解是一种将生物质在缺氧或无氧条件下加热分解的过程，通过这一过程可以得到多种有价值的产物。

这些产物具有各自独特的特性，对于能源利用、化工生产和环境保护等领域都具有重要意义。

生物质热解的产物主要包括生物油、生物炭和不可冷凝气体。

生物油是一种复杂的混合物，包含了数百种有机化合物。

它具有较高的能量密度，但同时也存在一些缺点，如稳定性差、腐蚀性强和含水量高。

生物油中的化学成分非常丰富，包括羧酸、醇、醛、酮、酚类和酯类等。

这些成分的比例和种类会受到生物质原料的种类、热解条件（如温度、加热速率和停留时间）等因素的显著影响。

例如，以木质生物质为原料得到的生物油中酚类化合物的含量相对较高，而以农作物废弃物为原料得到的生物油中则可能含有更多的羧酸和酯类。

生物炭是生物质热解的另一个重要产物。

它是一种富含碳的固体物质，具有多孔结构和较大的比表面积。

这些特性使得生物炭在土壤改良、碳封存和污染物吸附等方面表现出优异的性能。

生物炭的孔隙结构可以为土壤中的微生物提供栖息和繁殖的场所，从而改善土壤的肥力和结构。

同时，生物炭能够吸附土壤中的重金属和有机污染物，降低它们的迁移性和生物有效性，减少对环境的危害。

此外，生物炭中的碳相对稳定，可以在土壤中长时间存在，从而实现碳的长期封存，有助于缓解气候变化。

不可冷凝气体是生物质热解过程中产生的另一种产物，主要成分包括一氧化碳、氢气、甲烷和二氧化碳等。

这些气体具有较高的热值，可以作为燃料直接使用，或者用于合成其他化学品。

其中，氢气是一种清洁的能源载体，具有广阔的应用前景。

通过优化热解工艺条件，可以提高不可冷凝气体中氢气的含量，从而提高其利用价值。

在生物质热解过程中，温度是影响产物特性的关键因素之一。

一般来说，随着热解温度的升高，生物油的产量会先增加后减少，而生物炭和不可冷凝气体的产量则会相应增加。

这是因为在较低温度下，生物质主要发生解聚和脱水反应，生成较多的生物油；而在较高温度下，生物油会进一步分解为小分子气体和焦炭。

第十章生物质热解技术1 概述热化学转化技术包括燃烧、气化、热解以及直接液化，转化技术与产物的相互关系见图10-1。

热化学转化技术初级产物可以是某种形式的能量携带物，如，木炭（固态）、生物油（液态）或生物质燃气（气态），或者是能量。

这些产物可以被不同的实用技术所使用，也可通过附加过程将其转化为二次能源加以利用。

图10-1 热化学转化技术与产物的相互关系生物质热解、气化和直接液化技术都是以获得高品位的液体或者气体燃料以及化工制品为目的，由于生物质与煤炭具有相似性，它们最初来源于煤化工（包括煤的干馏、气化和液化）。

本章中主要围绕热解展开。

1.1生物质热解概念热解（Pyrolysis又称裂解或者热裂解）是指在隔绝空气或者通入少量空气的条件下，利用热能切断生物质大分子中的化学键，使之转变成为低分子物质的过程。

可用于热解的生物质的种类非常广泛，包括农业生产废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴和城市固体废物等。

关于热解最经典的定义源于斯坦福研究所的J. Jones提出的，他的热解定义为“在不向反应器内通入氧、水蒸气或加热的一氧化碳的条件下，通过间接加热使寒潭有机物发生热化学分解，生成燃料（气体、液体和固体）的过程”。

他认为通过部分燃烧热解产物来直接提供热解所需热量的情况，严格地讲不应该称为部分燃烧或缺氧燃烧。

他还提出将严格意义上的热解和部分燃烧或缺氧燃烧引起的气化、液化等热化学过程统称为PTGL（Pyrolysis，Thermal Gasification or Liquification）过程。

生物质由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组分组成，纤维素是β-D-葡萄糖通过C1-C4苷键联结起来的链状高分子化合物，半纤维素是脱水糖基的聚合物，当温度高于500℃时，纤维素和半纤维素将挥发成气体并形成少量的炭。

木质素是具有芳香族特性的，非结晶性的，具有三度空间结构的高聚物。

由于木质素中的芳香族成分受热时分解较慢，因而主要形成炭。

生物质热解
生物质热解是一种热化学转化技术方法，它指的是在没有氧化剂存在或只提供有限氧的条件下，将生物质加热到超过500℃，通过热化学反应将生物质大分子物质（如木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（如固态炭、可燃气、生物油）。

生物质热解技术能够以较低的成本、连续化生产工艺，将常规方法难以处理的低能量密度的生物质转化为高能量密度的气、液、固产物，减少了生物质的体积，便于储存和运输。

同时，还能从生物油中提取高附加值的化学品。

生物质热解气化技术以其规模适度、启动灵活、原料收集半径小等优点，可与大型直燃发电优势互补，建设形成10 MW以下规模的生物质气化发电项目，完成生物质发电的规模与空间布局。

总的来说，生物质热解是一种有效的生物质能源利用技术，它不仅可以提高能源的利用效率，还可以帮助减少环境污染。

生物质能的热化学转化技术随着日益紧张的能源危机加剧和环境问题重视程度的加强，作为一种可再生的环境友好型能源，生物质能的研究越来越受到国内外学者的广泛关注。

生物质原料的热化学转化是利用纤维素、半纤维素和木质素的化学变化改变其物理特性而形成的新的生物质能源。

纤维素是由许多吡喃型D－葡萄糖基，在1，4位置上以β－苷键联结而成的天然线性高分子材料；半纤维素是不均匀聚糖，由葡萄糖、甘露糖、木糖和阿拉伯半乳聚糖等中的两种或两种以上糖基组成；木质素的成分非常复杂，是由愈创木基、紫丁香基和对羟苯丙烷的基本结构单元组成[1]。

生物质的热化学转化有两种基本途径：一种是将生物质气化，使其转化成碳氢化合物；另一种是将其直接在高温下热解、高压下液化或者深度热解和抽提。

热化学转化过程包括燃烧、气化、液化和热解[2]。

1生物质能的热化学转化技术1.1燃烧燃烧是应用最广泛的生物质转换方式，在一些不发达地区，人们仍在利用生物质的直接燃烧来获取能量来满足日常的生活。

生物质燃料的燃烧热值比化石能源的热值低很多，这是由于生物质燃料的高含水率和高氧含量决定的，对于不同能源的主要化学元素组成情况如图1所示[3]；燃烧热值和含水率的大小呈线性递减的关系，如图2所示[4](LHV=lower heating value，HHV=Higher heating value)。

生物质的燃烧过程可以分3个阶段：水蒸气蒸发与预热阶段、挥发燃烧阶段和固定碳燃烧阶段[5]。

为了提高生物质燃料的燃烧热值，可以对原料进行相应的处理：①在燃烧的水蒸气蒸发与预热阶段，加入燃料引发剂[6]、供给氧气或者增加通风量，从而降低燃料的着火点[7]；②在致密成型的固体燃料中加入催化剂降低生物质原料的表面活化能，如钡剂和锰剂，同时起到消烟助燃的效果[8]，此外用于煤的催化剂如K，Cu，FeCl2/FeCl3，MnO2，稀土钙钛矿型和纳米长效节煤添加剂等[9]均可以考虑到生物质能源的应用上来；③原料的蒸汽爆破可以使灰分含量和氧含量降低，增加燃烧热值，起到固碳的作用，同时还可以提高密度、冲击韧性和耐磨性，降低了灰分的熔化温度[10]。

概述生物质热解的基本原理
生物质热解是一种将生物质分解成可燃性气体、液体和固体炭的热化学过程。

其基本原理是通过在高温下加热生物质，使其发生热裂解，产生一系列气体、液体和固体产物。

具体而言，生物质热解的过程可以分为三个阶段：干燥阶段、热解阶段和固化阶段。

在干燥阶段，生物质中的水分被蒸发，使得生物质与热能相互作用。

在热解阶段，生物质中的有机物开始分解，并释放出可燃性气体和液体产品。

这些产品包括甲烷、一氧化碳、一氧化二氮、醋酸等。

在固化阶段，热解产物进一步分解生成可燃性固体炭。

这些炭可以作为生物质燃料使用，也可以用于制备材料、活性炭等。

生物质热解的基本原理是通过高温将生物质中的有机物分解成可燃性气体、液体和固体炭。

这一过程可以将生物质转化为更高能值的燃料，同时也可以利用热解产生的气体和液体产品。

生物质热解是一种重要的生物能源转化技术，具有广阔的应用前景。

生物质能源的热化学制氢技术研究生物质是指由生物体经由光合作用或化学反应，在自然界中形成或人工培育的有机物的总称。

这些有机物分布广泛，包括木材、农作物、剩余物、废弃物和动植物残体。

然而，这些生物质资源在能源化利用上面临很多困难，例如能量密度低、易受负荷性等方面。

随着全球对可再生能源的需求不断增加，生物质能源的热化学制氢技术逐渐受到人们重视。

一、生物质能源的热化学制氢技术生物质制氢技术有许多方法，其中热化学制氢是主要的制氢技术之一。

随着科技的不断发展，热化学制氢技术也得到了逐步的提升和推广。

该技术通过高温高压、气体分离和催化转化等过程将生物质中的碳氢化合物转化为氢气，并同时生成二氧化碳和一些低能的化学物质。

由于生物质不同于化石燃料具有良好的可再生性，因此生物质制氢技术成为了一种重要的能源转换方式。

二、热化学制氢技术的主要流程热化学制氢技术包括三个主要流程，即生物质的热解、气体分离和催化转化。

首先，将生物质通过高温热解来得到可燃性气体，包括甲烷、一氧化碳、氢气等；然后，进一步通过气体分离，将其中的碳氢化合物、含氧化合物、气态无机物分离出来，并得到纯净氢气；最后，利用催化转化技术将气态物质进一步转化为氢气和二氧化碳。

三、热化学制氢技术的优劣势热化学制氢技术具有很多的优劣势。

首先，经过改良的生物质制氢技术可以大量减少温室气体的排放，减缓温室效应和气候变化的影响；其次，生物质资源具有广泛性和可再生性，相比于化石燃料具有更为可持续的发展前景；另外，制氢过程可产生多种低能化学物质，这些化学物质可以用于发电、制氨等许多其他应用领域。

而缺点则在于，生物质含水量较高，通过热解得到的气体产生量和质量相对较低，成本相对较高；此外，热化学制氢技术对环境和工艺条件要求比较高，需要投入大量的费用。

四、热化学制氢技术的应用领域热化学制氢技术的应用领域也越来越广泛。

首先，利用热化学制氢技术可以制备高纯度的氢气，用于氢燃料电池的供能。

生物质热解通过生物质能转换技术可高效地利用生物质能源，生产各种清洁能源和化工产品，从而减少人类对于化石能源的依赖，减轻化石能源消费给环境造成的污染。

目前，世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。

生物质热解是指生物质在没有氧化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有限氧的条件下，加热到逾500℃，通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。

生物质热解的燃料能源转化率可达95.5%，最大限度的将生物质能量转化为能源产品，物尽其用，而热解也是燃烧和气化必不可少的初始阶段。

1 热解技术原理1.1 热解原理从化学反应的角度对其进行分析，生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反应，包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。

木材、林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。

热重分析结果表明，纤维素在52℃时开始热解，随着温度的升高，热解反应速度加快，到350～370℃时，分解为低分子产物，其热解过程为：(C6H10O5)n→nC6H10O5C6H10O5→H2O+2CH3-CO-CHOCH3-CO-CHO+H2→CH3-CO-CH2OHCH3-CO-CH2OH+H2→CH3-CHOH-CH2+H2O半纤维素结构上带有支链，是木材中最不稳定的组分，在225～325℃分解，比纤维素更易热分解，其热解机理与纤维素相似。

从物质迁移、能量传递的角度对其进行分析，在生物质热解过程中，热量首先传递到颗粒表面，再由表面传到颗粒内部。

热解过程由外至内逐层进行，生物质颗粒被加热的成分迅速裂解成木炭和挥发分。

其中，挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝可以得到生物油。

一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。

生物质转化及其应用生物质是指来自植物、动物和微生物等含有碳水化合物的生物质材料。

生物质存在于大自然中，它不仅是一个丰富的能源资源，还包含了丰富的含碳化合物、无机盐、有机酸、酚类、氨基酸等生物活性物质，能够被转化为生物能、化学品和材料等多种形式的能源。

生物质的转化是指把生物质转变为其他形式的能源，包括生物物质转化成液态和气态燃料、生物材料转化成电力等。

生物质转化主要有热化学、生化学、光化学和微生物转化等几种方式。

1. 热化学转化热化学转化是指利用高温和高压下的化学反应将生物质转化为其他形式的能源。

热化学转化可以分为不同的程度和条件，比如：干燥、热分解和气化等。

干燥是将生物质的水分蒸发掉，将其挥发性有机化合物提纯后，用于其他用途。

热分解是热化学转化的第一步，将生物质在低温下加热并不断搅拌，使其发生一些化学变化，其中水分也被分解出来。

气化是最终目标，它将生物质分解成为单一的气体产物，在高温和高压下合并，形成生物燃料。

2. 生化学转化生化学转化是指通过不同的化学和生物学过程，将生物质转化为其他形式的能源。

生化学转化的目标是生产生物能、化学品和其他生物材料。

酶的作用是生化转化过程中最主要的部分。

酶是生物体中的特定分子，能够催化生物质分解和化学变化，帮助生产人工生物燃料。

一些微生物可以从生物质中获得能量，通过不同的反应来分解和合成分子，这些反应形成生物过程的核心。

3. 光化学转化光化学转化是在可见光、紫外线或其他特定光谱范围内使用光来催化生化和化学转化过程。

一些生物活性分子需要光的能量，来进化，这些光化学催化剂被称为非生物催化剂，它们能在水中、空气中或其他环境中生成活性氧化物，进而将生物质转换为其他能源形式。

4. 微生物转化微生物生态系统是生物质分解和转化的关键。

微生物的代谢能够催化转化过程，其中的活性细胞能够通过发酵和其他类型的代谢过程，将生物物质转化为其他形式的能源。

生物质的应用生物质的应用范围十分广泛。

生物质燃烧的原理
生物质燃烧是指将植物和动物的有机物质在氧气存在下发生燃烧的过程。

其原理如下：
1. 氧气供应：燃烧过程需要氧气的参与。

当生物质燃烧时，空气中的氧气与生物质中的碳、氢、氧等元素发生反应，形成二氧化碳、水蒸气等。

2. 碳氢化合物分解：生物质主要由碳、氢和氧元素组成。

燃烧过程中，由于高温作用下，生物质中的碳氢化合物会分解为水蒸气和一氧化碳，并进一步氧化为二氧化碳。

3. 燃烧反应：在适当的温度下，生物质中的碳、氢、氧等元素与氧气反应，产生水蒸气和二氧化碳，并释放出热能。

4. 热能释放：生物质燃烧的过程是放热反应，即释放出大量热能。

这些热能可以用来进行供热、发电等工业和生活用途。

需要注意的是，生物质燃烧过程中还可能生成一些其他副产物，如氧化氮、硫化物等，这些副产物可能对环境和健康造成负面影响。

因此，在进行生物质燃烧时，需要采取相应的措施进行污染控制和排放处理，以减少对环境的损害。