生物质热解与生物油的特性研究

朱锡锋，陆强，郑冀鲁，郭庆祥，朱清时

(中国科技大学生物质洁净能源实验室，合肥230026)

　　摘要：用木屑、稻壳、玉米秆和棉花秆为原料进行了热解液化试验，生物油的产率分别为63%、53%、57%和56%，生物油的热值均为17～18MJΠkg。生物油成分分析表明，生物油是一种复杂含氧有机化合物与水组成的混合物，包括了几乎所有化学类别的有机物，如醚、酯、醛、酮、酚、醇和有机酸等。生物油粘温特性研究表明，当温度低于85℃时，生物油粘度随着温度升高而减小，符合液体粘温通用关系式；当温度高于85℃时，生物油粘度随着温度升高而上升，生物油中某些化合物开始产生聚合反应。

　　0前言

　　生物质是一种与环境友好的可再生资源，在完全缺氧情况下快速受热主要降解为一种称为生物油的初级液体燃料，此外还有少量的焦炭和可燃气体。影响生物质热解液化的主要工艺参数是加热速率、反应温度、气相滞留时间和高温有机蒸汽的淬冷。

　　生物质转化为生物油后，其能量密度得到大幅提高(如秸秆可提高约10倍)，故生物油的运输和储藏要比生物质容易许多。生物油的用途非常广泛：可以作为燃料油直接燃烧使用(燃烧时只需对现有热力设备略加改造即可)；提质后可单独或与化石燃料混合用于内燃机；生物油是复杂有机化合物的混合物，从中可以分离提取出具有特殊用途或高附加值的化学品。总之，生物质热解液化作为大规模转化利用生物质的一个重要技术手段已越来越为人们所重视。

　　本文采用自行研制的快速流化床生物质热解液化装置对松木屑、稻壳、玉米秆和棉花秆4种物料进行了热解液化试验，生物油的产率分别为63%、53%、57%和56%，生物油的热值均为17～18MJ/kg。生物油成分分析表明，生物油是复杂含氧有机化合物与水组成的混合物，几乎包括了所有化学类别的有机物，如醚、酯、醛、酮、酚、醇和有机酸等。生物油粘温特性研究表明，当温度低于85℃时，生物油的粘度随着温度升高而减小，符合液体粘温通用关系式；当温度高于85℃时，生物油粘度随着温度升高而上升，生物油中某些化合物开始发生聚合反应。

　　1生物质热解液化

　　图1所示为试验所用的快速流化床式生物质热解液化装置，粉碎后的生物质颗粒由二级螺旋推进器送入流化床反应器的下部，由电加热器预热过的氮气(550～600℃)经布风板进入流化床反应器。生物质热解所需的热量大部分由高温氮气带入，少部分由缠绕在流化床反应器外壁的电加热套供给。电加热套的另一功用是防止热解气体由于温度梯度效应在反应器内壁发生冷凝。试验前预先在反应器中加入一些砂子作为热载体，一方面可以稳定反应器内的温度，另一方面又可以增强生物质热解过程中的传热与传质。生物质热解高温气体经气固分离后进入冷凝器迅速冷凝而获得生物油。

　　本文以松木屑、稻壳、玉米秆和棉花秆为原料分别进行了热解液化试验，表1为筛分后的生物质颗粒直径和工业分析结果，表2为试验参数和试验结果。结果表明，这4种生物质原料热解液化时的产油率分别为63%、53%、57%和56%，生物油的热值均为17～18MJ/kg。

　　2生物油组成和理化特性

　　本文对生物油的组成和特性进行了研究，表3为源于不同生物质的生物油元素组成和理化特性，表4为玉米秆生物油的主要化学成分及其含量，图2为玉米秆生物油的GC-MS分析结果。研究表明，生物油是复杂含氧有机化合物与水组成的混合物，几乎包括了所有化学类别的有机物，如醚、酯、醛、酮、酚、醇和有机酸等，且不同原料制取的生物油理化特性差异不大，易于地混合。

　　3生物油粘温特性

　　生物油在常温下会缓慢发生一系列的聚合反应而变性，在稍高温度下反应速度将会加快。考虑到粘度是流体分子微观作用的宏观表现，与很多物性参数相联系。因此，研究生物油的粘温特性对其生产、储运和使用等均具有重要意义。

　　本文采用SYD—265D型运动粘度仪对玉米秆生物油在不同温度下的运动粘度υ进行了测定，测定结果如表5所列。图3所示为粘度υ与温度T的变化关系作图，从中可以发现：1)当温度低于85℃时，生物油的粘度随着温度升高而减小，符合液体粘温通用关系式，即：

　　4结论

　　1)松木屑、稻壳、玉米秆和棉花秆热解液化时的产油率分别为63%、53%、57%和56%，生物油的热值均为17～18MJ/kg。生物质转化为生物油后的最大特点是其能量密度得到大幅提高，且用途也变得更加广泛；

　　2)生物油是复杂含氧有机化合物与水组成的混合物，几乎包括所有化学类别的有机物，如醚、酯、醛、酮、酚、醇和有机酸等，且不同原料制取的生物油理化特性差异不大，可以容易地混合在一起；

　　3)对玉米秆生物油进行的粘温特性研究表明，当温度低于85℃时，生物油的粘度随着温度升高而减小，符合液体粘温通用关系式；当温度高于85℃时，生物油粘度随着温度升高而上升，生物油中某些化合物开始产生聚合反应。