生物質(zhì)熱解技術(shù)研究進展

劉康，賈青竹，王昶

(天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津300457)

　　摘要：生物質(zhì)是地球上最豐富的可再生資源，通過熱解實現(xiàn)生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化是一種前景廣闊的工藝技術(shù)。生物質(zhì)熱解技術(shù)是把低能密度生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為高能密度產(chǎn)物以及高附加值化學(xué)品的一種新型生物質(zhì)能利用技術(shù)。論述了國內(nèi)外對熱解技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了生物質(zhì)的熱解機理，并且指出了熱解技術(shù)中需要解決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(jù)美國能源部和世界能源理事會預(yù)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(dǎo)致了全球性溫暖化以及SOx和NOx排放量增加，嚴(yán)重污染了大氣環(huán)境。因此，尋找一種可再生的環(huán)境友好型能源便成為社會普遍關(guān)注的焦點。在各種可再生能源中，生物質(zhì)是獨特的，不僅能貯存太陽能，還是一種可再生的碳源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，對生物質(zhì)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(jù)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(fā)的能源約相當(dāng)于全世界每年耗能量的10倍。我國生物質(zhì)能資源相當(dāng)豐富，理論生物質(zhì)能資源約有50×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，是我國目前總能耗的4倍。生物質(zhì)能有效利用技術(shù)開始于20世紀(jì)70年代末期，主要是利用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物轉(zhuǎn)化技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣、液和固態(tài)多種能源產(chǎn)物和化學(xué)品。熱化學(xué)方法包括：直接燃燒，氣化和熱解。眾多的研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)熱解技術(shù)是生物質(zhì)利用的重要途徑，尤其隨著人們對熱解產(chǎn)物研究的不斷增加，以獲得最大量液態(tài)產(chǎn)物(生物油)為目的的熱解技術(shù)的研究和應(yīng)用越來越受到重視。生物質(zhì)熱解是生物質(zhì)在一定的氣化介質(zhì)條件下，產(chǎn)生液體(生物油)、氣體(可燃?xì)?、固體(焦炭)3種產(chǎn)物的生物質(zhì)熱解降解過程。生物質(zhì)熱解液化轉(zhuǎn)化為生物燃油是生物質(zhì)熱解技術(shù)的發(fā)展的必然方向。在今后，這一技術(shù)必將得到廣泛地發(fā)展與應(yīng)用，并產(chǎn)生巨大的社會效益與經(jīng)濟效益。

　　1熱解工藝

　　生物質(zhì)熱解是指生物質(zhì)在完全沒有氧或缺氧條件下熱分解，最終生成木炭、生物油和不可冷凝氣體的過程。3種產(chǎn)物的比例取決于熱解工藝的類型和反應(yīng)條件。一般地，低溫低速熱解溫度不超過580℃，產(chǎn)物以木炭為主；高溫快速熱解溫度范圍在700~1100℃，產(chǎn)物以不可冷凝的燃?xì)鉃橹鳎恢袦亻W速熱解溫度在500~650℃，產(chǎn)物中燃料油產(chǎn)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，其過程直接決定各熱化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)動力學(xué)，以及產(chǎn)物的組成、特征和分布。按溫度、升溫速率、固體停留時間(反應(yīng)時間)和顆粒大小等試驗條件。

　　熱解分為傳統(tǒng)熱解(慢熱解)、快速熱解和閃蒸熱解。生物質(zhì)快速熱解技術(shù)將低品位的生物質(zhì)(熱值的大約12~15MJ／kg)轉(zhuǎn)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(zhì)氣化可以將固態(tài)生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為使用方便而且清潔的可燃?xì)怏w，用做燃料或產(chǎn)生動力。熱解法有明顯的優(yōu)點：1)生物質(zhì)熱解產(chǎn)物為燃?xì)?、焦油或半焦，可以根?jù)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(zhì)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??；3)生物質(zhì)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(huán)境污染；4)熱解可以處理不適于焚燒的生物質(zhì)，如有毒有害醫(yī)療垃圾等。

　　2熱解裝置

　　反應(yīng)器是生物質(zhì)進行熱解的重要裝置，是目前國內(nèi)外關(guān)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(yīng)器具有加熱速率快、反應(yīng)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(yīng)器的設(shè)計，制造及工藝條件的控制，已研發(fā)了固定床、流化床、真空移動床、引流床、夾帶流、多爐裝置、旋轉(zhuǎn)爐、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器和輻射爐等。而用于商業(yè)運行的只有輸送床和循環(huán)流化床反應(yīng)器。表1列出了國外生物質(zhì)熱解的主要反應(yīng)器類型及主要研發(fā)機構(gòu)。

　　2．1固定床反應(yīng)器

　　AyseE.Putun等采用固定床反應(yīng)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解試驗，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(zhì)熱解試驗，氣相產(chǎn)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(yīng)器中對廢木材生物質(zhì)進行了熱分解試驗，制取高附加值的化工原料輕質(zhì)芳烴。研究發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)芳烴的產(chǎn)率隨著催化劑用量的增加有明顯的提高，而焦油的產(chǎn)量相對下降。

　　陳冠益等對稻桿、稻殼和木屑在固定床內(nèi)的熱解特征進行研究，同時對熱解產(chǎn)物進行了分析。發(fā)現(xiàn)3種原料熱解氣的熱值在12000~15000kJ／m3n(n表示標(biāo)準(zhǔn))之間，產(chǎn)氣率一般為0．25~0