第6章 生物质热裂解技术

生物质热裂解技术概述摘要：生物质在慢速热裂解的情形下以得到炭为目的的炭化是一种有几千年历史的工艺，由于化工和能源等领域中新型反应工艺的不断开发，人们发现通过改变热裂解过程的温度、加热速率及停留时间等因素，可分别有效地最大化气体和液体产物产量，并且对所得产物进行相应的改性及优化后可用作其他多种用途。

本文简单介绍了生物质热裂解技术发展，对生物质热裂解技术的裂解机理、影响因素，以及生物质热裂解过程及产物组成因素进行概述。

关键词：生物质；热裂解；温度；升温速率前言：生物质通常是木材、竹材、灌木、野草、秸秆等植物纤维来源的天然有机材料（也包括甲壳素等动物来源的天然有机材料）的统称，其主要化学成分是纤维素、半纤维素和木质素，此外尚含有少量品种繁多的其它有机和无机物质。

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，是一种对环境友好的可以替代化石能源的可再生的能源,可以有效减少有害气体及烟尘排放量和温室气体增加量,维系全球平衡,提高环境质量;较之其他新能源(如太阳能、风能、地热能及潮汐能等)生物质能源的开发转化技术较容易实现,既可利用生物质能的热能效应又可将简单的热效应充分转化为化学能、电能等高品位能源。

生物质热裂解是指生物质在没有氧化剂（空气、氧气、水蒸汽等）存在或只提供有限氧的条件下，加热到500℃，通过热化学反应将物质大分子物质分解成较小分子的燃料物质的热化学转化技术方法，是目前国内外非常关注的新能源生产技术。

1 生物质热裂解技术简介及工艺类型生物质热裂解是指生物质在完全缺氧或有限氧提供条件下利用热能切断生物质大分子中碳氢化合物的化学键，使之转化为小分子物质的热降解，这种热解过程最终生成液体生物油、可燃气体和固体生物质炭三种，产物的比例根据不同的热裂解工艺和反应条件而发生变化。

生物热裂解的燃料能源转化率可达95.5%，最大限度地将生物质能量转化为能源产品，是生物质能利用技术的主要方法之一，且越来越得到重视，这是因为：○1热解技术对于原料的种类没有严格要求，城市固体废弃物（MSW），农业、林业废物都能气化。

生物质热裂解技术现状及发展摘要：介绍了我国生物质资源化现状及以生物质为原料热裂解技术的研究成果及进展，评述了生物质热裂解技术的环境效益和经济效益，对我国生物质资源利用提供参考。

1我国生物质资源化现状我国生物质资源十分丰富，主要有各种农业废弃物、林业废弃物、畜禽粪便等，年产量约合4亿t石油当量。

因此，研究将生物质资源高效转化为高品位的清洁能源，既是大规模利用生物质能的必然趋势，更是增加农民收入、降低粮食价格、缩小与国际市场差距的有效途径。

我国是一个农业大国，每年农林废弃物约14亿t，其中玉米、水稻、小麦等大宗作物的秸秆高达7亿t。

秸秆是一种宝贵的可再生资源，是自然界中数量极大且具有多种用途的可再生生物质资源。

目前我国秸秆利用率约为33%，其中大部分未加处理，经过技术处理后利用的仅占2.6%。

随着石化资源的日趋枯竭和秸秆焚烧污染环境问题的日益突出，提高农作物秸秆的综合利用水平，实现深层次、多途径综合利用方式是人们对可持续发展、保护环境和循环经济的追求。

综合利用农作物秸秆资源对于节约资源、保护环境、增加农民收入、促进农业的可持续发展都具有重要的现实意义。

农作物秸秆是指去除籽果实的农作物茎、叶、秆及根等部分，包括各种粮食作物、经济作物、油料作物和纤维类作物的秸秆，如玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、高粱秸秆、烟草秸秆、向日葵杆、棉花秸秆、豆类作物秸秆和芦苇等。

还包括农作物加工后的剩余物，比如稻壳、花生壳、甘蔗渣、薯渣、薯液等；包括果蔬加工副产物，如辣椒秆、茄子秆、莴苣皮、豆荚、果皮、果渣等。

据统计，我国农业加工副产物有5.8亿t，而综合利用率平均不到40%，60%以上被随意堆放、丢弃或用作生活燃料，或者作为肥料还田，这相当于0.47hm2土地的投入产出和6000亿元的收入被白白损失掉。

我国每年森林采伐、木材加工及育林剪枝等林业废弃物约3.5亿t，折合成标煤，平均为9422万t。

我国生物炭研究特别是产业化应用在国际上已经处于领先地位，生物炭产业化也非常成熟。

第六章生物质热裂解液化技术第1节生物质热裂解原理1.1 概念⑴生物质热裂解生物质通过热化学转换，生成液体生物油、可燃气体和固体生物质炭3类物质的过程。

控制热裂解条件（反应温度、升温速率、添加助剂等）可以得到不同热裂解产品。

⑵生物质热裂解液化是在中温（500～650℃）、高加热速率（104～105℃/s）和极短停留时间（小于2s）的条件下，将生物质直接热解，产物再迅速淬冷（通常在0.5s内急冷到350℃以下），使中间液态产物分子在进一步断裂生成气体之前冷凝，从而得到液态的生物油。

生物油产率可高达70%～80%（质量分数）。

气体产率随温度和加热速率的升高及停留时间的延长而增加；较低的温度和加热速率导致物料炭化，生物质炭产率增加。

生物质热裂解液化技术最大的优点在于生物油易于存储和运输，不存在产品就地消费的问题。

1.3生物质热裂解原理分析（一）反应进程分析生物质的热裂解（慢速）大致分为4个阶段：⑴脱水阶段（室温~150℃）：物料中水分子受热蒸发，物料化学组分几乎不变⑵预热裂解阶段（150~300℃）：物料热分解反应比较明显，化学组成开始发生变化。

半纤维素等不稳定成分分解成CO、CO2和少量醋酸等物质。

⑶固化分解阶段（300~600℃）：物料发生复杂的物理、化学反应，是热裂解的主要阶段。

物料中的各种物质相应析出，生成的液体产物中含有醋酸、木焦油和甲醇，气体产物中有CO、CO2、H2、CH4等。

物料虽然达到着火点，但由于缺氧而不能燃烧，不能出现气相火焰.⑷炭化阶段：C—H、C—O键进一步断裂，排出残留在木炭中的挥发物质，随着深层挥发物向外层的扩散，最终形成生物炭。

以上几个阶段是连续的，不能截然分开。

快速裂解的反应过程与此基本相同，只是所有反应在极短的时间内完成，原料快速产生热裂解产物，因为迅速淬冷，使初始产物来不及进一步降解成不冷凝的小分子气体，从而增加了液态产物生物油。

（二）热解过程中生物质成分分析⑴生物质中主要成分及其分解产物生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素3种主要组成物，及一些可溶于极性或弱极性溶剂的提取物。

生物质热裂解技术工艺流程生物质热解液化技术的一般工艺流程由物料的干燥、粉碎、热解、产物炭和灰的分离、气态生物油的冷却和生物油的收集等几个部分组成。

原料干燥和粉碎生物油中的水分会影响油的稳定性、粘度、PH值、腐蚀性以及一些其它特性，而天然的生物质原料中含有较多的自由水，相比从生物油中去除水分，反应前物料的干燥要容易的多，因而在一般的热解工艺中，为了避免将自由水带入产物，物料要求干燥到水份含量低于10%（质量分数）。

快速热解制油工艺要求高的传热速率，除了从反应器的传热方面入手，工艺流程图原料尺寸也是重要的影响因素，通常对原料需要进行粉碎处理，不过随着原料的尺寸变得越小，整个系统的运行成本也会相应提高。

热裂解反应器反应器是热解的主要装置，反应器类型的选择和加热方式是各种技术路线的关键环节。

适合于快速热解的反应器型式是多种多样的，但所有热解制油实用性较强的反应器都具备了三个基本特点：加热速率快，反应温度中等和气相停留时间短。

焦炭和灰的分离在生物质热解制油工艺中，一些细小的焦炭颗粒不可避免地进入到生物油液体当中。

研究表明：液体产物中的焦炭会导致生物油不稳定，加快聚合过程，使生物油的粘度增大，从而影响生物油的品质。

同时，生物质中几乎所有的灰分都保留在焦炭当中，而灰分是影响生物质热解液体产物收率的重要因素，它的存在将大大催化挥发成分的二次分解，所以分离焦炭也会影响分离灰分。

分离焦炭除了采用热蒸汽过滤外，还可以通过液体过滤装置（滤筒或过滤器等）来完成，目前，后者仍处于研究开发阶段。

焦炭的分离虽然很困难，但是对所有的系统而言都是必不可少的。

液体生物油的收集液体的收集一直以来都是整个热解过程中运行最困难的部分，目前几乎所有的收集装置都不能很有效的收集。

这是因为裂解气产物中挥发份在冷却过程中与非冷凝性气体形成了烟雾状的气溶胶形态，是一种由蒸汽、微米级的小颗粒、带有极性分子的水蒸气分子组成的混合物，这种结构给液体的收集带来困难。

生物质热解技术的关键技术研究随着全球能源需求的不断增长和对环境保护的日益重视，生物质能源作为一种可再生、低碳的能源形式，受到了广泛的关注。

生物质热解技术作为生物质能源转化的重要途径之一，具有巨大的发展潜力。

本文将对生物质热解技术的关键技术进行深入研究。

一、生物质热解技术概述生物质热解是指在无氧或缺氧的条件下，将生物质加热到一定温度，使其发生热分解反应，生成生物油、生物炭和可燃性气体等产物的过程。

生物质热解技术具有原料来源广泛、转化效率高、产品用途多样等优点，是实现生物质能源高效利用的有效手段。

二、生物质热解的反应原理生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成。

在热解过程中，这些成分会发生一系列复杂的化学反应。

纤维素在较低温度下首先分解为左旋葡聚糖等中间产物，然后进一步分解为小分子气体和液体产物。

半纤维素的热稳定性相对较差，在较低温度下就会迅速分解。

木质素的结构较为复杂，热解过程相对缓慢，主要生成酚类、芳烃等化合物。

三、生物质热解的关键技术（一）原料预处理技术生物质原料的种类、含水率、颗粒大小等因素对热解过程和产物分布有着重要影响。

因此，在热解之前，需要对原料进行预处理。

干燥处理是降低原料含水率的常用方法，以提高热解效率。

粉碎和筛分可以减小原料颗粒尺寸，增加反应表面积，促进热传递和反应进行。

此外，对生物质进行化学预处理，如酸处理、碱处理等，可以改变其化学结构，提高热解产物的品质。

（二）热解反应器设计热解反应器是实现生物质热解的核心设备，其性能直接影响热解过程的效率和产物质量。

常见的热解反应器包括固定床反应器、流化床反应器和旋转锥反应器等。

固定床反应器结构简单，但传热效率较低，适用于小规模生产。

流化床反应器具有良好的传热和传质性能，能够实现连续化生产，但对原料颗粒尺寸要求较高。

旋转锥反应器则具有较高的热解效率和产物选择性。

在反应器设计中，需要考虑加热方式、反应温度、停留时间、物料流动等因素，以优化热解过程。