生物质热解技术研究进展

刘康，贾青竹，王昶

(天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津300457)

　　摘要：生物质是地球上最丰富的可再生资源，通过热解实现生物质高效转化是一种前景广阔的工艺技术。生物质热解技术是把低能密度生物质能转化为高能密度产物以及高附加值化学品的一种新型生物质能利用技术。论述了国内外对热解技术的研究现状，分析了生物质的热解机理，并且指出了热解技术中需要解决的问题以及今后的主要研究方向。

　　随着人们对能源需求的日益增长，作为主要能源的燃料却迅速减少。据美国能源部和世界能源理事会预测，全球燃料煤、石油和天然气的可开采年限分别为211年、39年和60年。并且大量化石燃料的使用，导致了全球性温暖化以及SOx和NOx排放量增加，严重污染了大气环境。因此，寻找一种可再生的环境友好型能源便成为社会普遍关注的焦点。在各种可再生能源中，生物质是独特的，不仅能贮存太阳能，还是一种可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料，对生物质能源的有效利用不仅可以减少对化石燃料的使用量，又可以抑制二氧化碳的排放量。

　　据估计，地球上植物每年通过光合作用固定的碳达2×1011t，含能量高达3×1018kJ，可开发的能源约相当于全世界每年耗能量的10倍。我国生物质能资源相当丰富，理论生物质能资源约有50×108t标准煤，是我国目前总能耗的4倍。生物质能有效利用技术开始于20世纪70年代末期，主要是利用热化学转化和生物转化技术将生物质转化为气、液和固态多种能源产物和化学品。热化学方法包括：直接燃烧，气化和热解。众多的研究发现，生物质热解技术是生物质利用的重要途径，尤其随着人们对热解产物研究的不断增加，以获得最大量液态产物(生物油)为目的的热解技术的研究和应用越来越受到重视。生物质热解是生物质在一定的气化介质条件下，产生液体(生物油)、气体(可燃气)、固体(焦炭)3种产物的生物质热解降解过程。生物质热解液化转化为生物燃油是生物质热解技术的发展的必然方向。在今后，这一技术必将得到广泛地发展与应用，并产生巨大的社会效益与经济效益。

　　1热解工艺

　　生物质热解是指生物质在完全没有氧或缺氧条件下热分解，最终生成木炭、生物油和不可冷凝气体的过程。3种产物的比例取决于热解工艺的类型和反应条件。一般地，低温低速热解温度不超过580℃，产物以木炭为主；高温快速热解温度范围在700~1100℃，产物以不可冷凝的燃气为主；中温闪速热解温度在500~650℃，产物中燃料油产率较高，可达到60%~80%。热解既可以作为一个独立的过程，也可以是燃烧、炭化、液化和气化等过程的一个中间过程，其过程直接决定各热化学转化反应动力学，以及产物的组成、特征和分布。按温度、升温速率、固体停留时间(反应时间)和颗粒大小等试验条件。

　　热解分为传统热解(慢热解)、快速热解和闪蒸热解。生物质快速热解技术将低品位的生物质(热值的大约12~15MJ／kg)转化成易储存、易运输、收率为60%~75%和热值达16~20MJ／kg的燃料油。生物质气化可以将固态生物质资源转化为使用方便而且清洁的可燃气体，用做燃料或产生动力。热解法有明显的优点：1)生物质热解产物为燃气、焦油或半焦，可以根据不同的需要加以利用，而焚烧只能利用热能；2)热解可以简化污染控制。生物质在无氧的或缺氧的条件下热解时，NOx、SOx、HCl等污染物排放少，而且热解烟气中灰量小；3)生物质中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在碳黑中，可以从中回收金属，进一步减少环境污染；4)热解可以处理不适于焚烧的生物质，如有毒有害医疗垃圾等。

　　2热解装置

　　反应器是生物质进行热解的重要装置，是目前国内外关注的焦点。国外的研究主要有美国、加拿大和芬兰等国，代表工艺为Twenet、GIT、Ensyn、GIEC、NREL和Laval等。常用的热解反应器具有加热速率快、反应温度中等和气体停留时间短等特征。目前，世界各国通过对反应器的设计，制造及工艺条件的控制，已研发了固定床、流化床、真空移动床、引流床、夹带流、多炉装置、旋转炉、旋转锥反应器和辐射炉等。而用于商业运行的只有输送床和循环流化床反应器。表1列出了国外生物质热解的主要反应器类型及主要研发机构。

　　2．1固定床反应器

　　AyseE.Putun等采用固定床反应器，在不同的操作条件下(终止温度、载气流速和升温速率)对橄榄枝进行了热分解试验，得到了类似于石油的液体燃料。RapagnaS等采用煅烧的白云石为催化剂，在流化床中进行了生物质热解试验，气相产物进入固定床用镍基催化剂进行重整，得到氢气。申豹雄等采用Y型佛石催化剂在固定床反应器中对废木材生物质进行了热分解试验，制取高附加值的化工原料轻质芳烃。研究发现轻质芳烃的产率随着催化剂用量的增加有明显的提高，而焦油的产量相对下降。

　　陈冠益等对稻杆、稻壳和木屑在固定床内的热解特征进行研究，同时对热解产物进行了分析。发现3种原料热解气的热值在12000~15000kJ／m3n(n表示标准)之间，产气率一般为0．25~0