第四章生物质热裂解技术

生物质热裂解制取液体燃料技术的发展摘要:对生物质热裂解技术进行了系统的研究,阐述了其基本技术要求和发展现状,并将现有的生物质热裂解反应器进行分类,分析了相应的优势与不足。

最后评估了生物质热裂解制取液体燃料技术的经济和社会效益,结果表明它具有广泛的应用前景。

关键词:生物质;热裂解;生物油;反应器1生物质热裂解制取液体燃料的意义当今社会面临着环境与发展的双重压力,面对常规能源资源的有限性和人类对能源需求的不断扩大[1],能源格局的更新、新能源的开发和利用越来越值得人们的关注。

同时石油以其便于运输、加工和利用,且单位热值高和污染相对煤炭少等优点成为常规商业用能中的重要一员,油气在商业用能中的比重在一定程度上也反映出某个国家的能源利用效率水平及环境保护程度。

随着我国经济的迅速发展,油气等高品质能源在我国的消费将逐渐增加,而我国的石油资源人均拥有量却相对很少。

另外随着农村经济发展和农民生活水平的提高,农村对于优质燃料的需求日益迫切,传统能源利用方式已经难以满足农村现代化需求,尤其是对柴油的需求,因此积极开发代用液体燃料是一种行之有效的措施。

化石燃料的过度开采和大量使用导致了环境污染指数的增长,20世纪以来化石燃料燃烧利用过程中排放的大量SO2、NOx和氯氟烃等污染物破坏了生态环境,由于CO2排放造成的“温室效应”也逐渐显露出对气候和生态的负面效应。

生物质是一种清洁的低碳燃料,其含硫和含氮量均较低,同时灰分份额也很小,所以燃烧后SO2、NOx和灰尘排放量比化石燃料要小得多,是一种清洁燃料。

生物质的利用过程中没有增加大气中CO2的含量,这对于缓解日益严重的“温室效应”有着特殊的意义。

为了兼顾经济增长和环境保护,生物质能的开发和利用已越来越受到重视和关注。

生物质能的利用目前在工业化的发达国家仅占能源消耗的3%,广大发展中国家中生物质能占了35%,从而使得生物质能在世界能源消耗中仅占了14%。

联合国环境发展会议指出到2050年,生物质能有潜力可以供给当时世界能源消耗中的50%。

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。

高炉渣余热生物质裂解
生物质裂解原理：
生物质，从广义上讲是指有机物中除化石燃料以外的所有来源于动植物可再生的物质。

它是一种低灰分、低硫份的燃料。

生物质快速热解液化是在传统裂解基础上发展起来的一种技术，它采用超高加热速率(102K/s—l04K/s)，产物超短停留时间(0.2s—3s)及适中的裂解温度(500℃左右)，使生物质中的有机高聚物分子在隔绝空气的条件下迅速断裂为短链分子，使焦炭和产物气降到最低限度，从而最大限度获得液体产品。

这种液体产品被称为生物质油(bio-oil)。

生物质裂解原理图
生物质裂解主要反应设备
生物质裂解效益：
生物质油为棕黑色黏性液体，热值达20～22MJ/kg，可直接作为燃料使用，也可经精制成为化石燃料的替代物。

目前，就国内而言，每年生产的农业秸秆等生物质就高达7亿多吨，扣除各种己利用部分，尚有4～5亿吨有待开发利用，相当于2～2.5亿多吨标准煤，相当于中国农村能耗的53%。

另外，我国每年还有相当于2亿多吨标准煤的城镇有机垃圾生物质资源有待处理和开发利用。

生物质能将成为未来可持续能源系统中的重要组成部分，到21世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。

由此可见，生物质能的开发利用前景十分广阔。

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。

生物质热裂解机理试验研究引言：生物质是一种可再生的能源资源，具有广泛的应用前景。

生物质热裂解是一种重要的转化方式，通过研究其机理有助于优化生物质的利用过程，提高能源转化效率。

本文旨在探讨生物质热裂解的机理，并介绍相关试验研究。

一、生物质热裂解机理的基本原理生物质热裂解是指通过升温将生物质转化为气体、液体和固体产物的过程。

其基本原理包括干馏、热解和炭化等过程。

1. 干馏过程：在干馏过程中，生物质在高温下脱去部分挥发性成分，形成气体和液体产物。

这是因为生物质中的挥发性物质在高温下分解，产生气体和液体化合物，如甲烷、乙烯、苯等。

2. 热解过程：在热解过程中，生物质的主要组分纤维素、半纤维素和木质素被分解为一系列低分子量化合物。

这些化合物包括酚类、醛类、酮类等，可以用作燃料或化工原料。

3. 炭化过程：在炭化过程中，生物质的残留物质被进一步分解为固体炭。

这是因为高温下，生物质中的有机物质经过裂解、聚合和重排等反应，形成具有石墨结构的固体炭。

二、生物质热裂解机理试验研究方法为了深入了解生物质热裂解的机理，许多试验研究被开展。

以下介绍几种常见的试验方法。

1. 热重分析（TGA）：热重分析是一种常用的试验方法，通过加热生物质样品，测量其质量随温度变化的情况。

通过观察样品的质量损失和温度变化关系，可以推测出生物质的热裂解特性。

2. 气相色谱质谱（GC-MS）：气相色谱质谱是一种用于分析气体和液体产物的方法。

通过将生物质热裂解产物进样到气相色谱质谱仪中，可以分析得到各种化合物的相对含量和结构信息，进而推测出生物质的热裂解机理。

3. X射线衍射（XRD）：X射线衍射是一种用于分析固体产物的方法。

通过将生物质热裂解产物进行X射线衍射分析，可以获得其晶体结构和物相组成信息，从而揭示生物质热裂解的炭化机制。

三、生物质热裂解机理试验研究的进展与挑战近年来，生物质热裂解机理试验研究取得了一系列进展。

研究者们通过不同的试验方法，揭示了生物质热裂解的反应途径、产物组成和反应动力学等方面的信息。

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。