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生物質(zhì)熱解技術(shù)的研究及應(yīng)用展望
篇一：生物質(zhì)熱解技術(shù)的研究及應(yīng)用展望
摘 要：概述了生物質(zhì)熱解技術(shù)的原理及反應(yīng)過程，介紹了熱解工藝類型及熱解產(chǎn)物類型，并對對生物質(zhì)熱解技術(shù)的發(fā)展前景進行了展望。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；熱解；熱解工藝；熱解產(chǎn)物
Application and prospects of biomass pyrolysis technology
Zhao Shibin
(Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang ,050043,China)
Abstract: This article mainly discusses the principle of biomass pyrolysis technology and reaction process, pyrolysis types and analysis the products of it, and the rightness of biomass pyrolysis technology development foreground is prospected.
Key words: biomass; pyrolysis; pyrolysis process; pyrolysis products
0 前言
人類世界正在面臨著前所未有的能源危機。當前，人類社會所需要的能源主要來自礦物燃料，包括煤炭、石油、天然氣等，但是這些資源正在逐步日益耗盡，其儲量已難以在滿足未來的發(fā)展需要。因此，開發(fā)和找尋新的可替代能源的任務(wù)迫在眉睫。生物質(zhì)能源屬于一種可再生能源，而且來源豐富，可以作為滿足未來發(fā)展的一種重要的可再生能源。通過生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)可高效地利用生物質(zhì)能源，且其開發(fā)轉(zhuǎn)化技術(shù)較容易實現(xiàn)，既可利用生物質(zhì)能的熱能效應(yīng)又可以將簡單的熱效應(yīng)充分轉(zhuǎn)化為化學能等高品位的能源，生物質(zhì)熱解技術(shù)便為這種轉(zhuǎn)換提供了技術(shù)保障。
生物質(zhì)熱解技術(shù)是指在無氧或低氧的條件下，將由高分子組成的生物質(zhì)在高溫下加熱，通過熱化學反應(yīng)使之裂解為低分子化合物的技術(shù)方法。生物質(zhì)熱解的燃料能源轉(zhuǎn)化率可達95.5%，最大限度的將生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品，從而物盡其用，同時，熱解也是燃燒和氣化必不可少的初始階段。 1 熱解技術(shù)原理及反應(yīng)過程
1.1 生物質(zhì)熱解原理
生物質(zhì)在熱解過程是一系列復雜的化學、物理反應(yīng)，包括一系列的能量傳遞和物質(zhì)傳遞。生物質(zhì)通常是木材、竹材、灌木、野草、秸稈等天然有機材料的統(tǒng)稱，其主要化學成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。研究表明，3種組份常被假設(shè)獨立進行熱分解，纖維素在52℃時開始熱解，隨著溫度的升高，熱解反應(yīng)速度加快，到350～370℃時，分解為低分子產(chǎn)物；半纖維素結(jié)構(gòu)上帶有支鏈，主要在225～325℃分解，比纖維素更易熱分解，其熱解機理與纖維素相似；木質(zhì)素是具有芳香族特性的、非結(jié)晶性的、具有三維空間結(jié)構(gòu)的高聚物，主要在200～325℃分解。
在生物質(zhì)熱解過程中，熱量首先傳遞到顆粒表面，再由表面?zhèn)鞯筋w粒內(nèi)部。熱解過程由外至內(nèi)逐層進行，生物質(zhì)顆粒被加熱的成分迅速裂解成木炭和揮發(fā)分。其中，揮發(fā)分由可冷凝氣體和不可冷凝氣體組成，可冷凝氣體經(jīng)過快
速冷凝可以得到生物油。一次裂解反應(yīng)生成生物質(zhì)炭、一次生物油和不可冷凝氣體。在多孔隙生物質(zhì)顆粒內(nèi)部的揮發(fā)分將進一步裂解，形成不可冷凝氣體和熱穩(wěn)定的二次生物油。同時，當揮發(fā)分氣體離開生物顆粒時，還將穿越周圍的氣相組分，在這里進一步裂化分解，稱為二次裂解反應(yīng)21。生物
質(zhì)熱解過程最終形成生物油、不可冷凝氣體和生物質(zhì)。
圖1生物質(zhì)熱裂解過程示意圖
1.2 生物質(zhì)熱解反應(yīng)過程
根據(jù)熱解過程可分為以下三個階段3：
（1）干燥階段（溫度為120～150℃），該階段主要是發(fā)生物理變化，生物質(zhì)中的水分進行蒸發(fā)，物料的化學組成基本不變。
�。�2）預(yù)熱解階段（溫度為150～275℃），物料的熱反應(yīng)比較明顯，化學組成開始變化，物料發(fā)生一定量的質(zhì)量損失，生物質(zhì)中的不穩(wěn)定成分如半纖維素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物質(zhì)。
�。�3）固體分解階段（溫度為275～475℃），熱解的'主要階段，物料發(fā)生了各種復雜的物理、化學反應(yīng)，產(chǎn)生大量的分解產(chǎn)物。生成的液體產(chǎn)物中含有醋酸、木焦油和甲醇（冷卻時析出來）；氣體產(chǎn)物中有CO2、CO、CH4、H2等，可燃成分含量增加。
�。�4）炭化階段（溫度為450～500℃），生物質(zhì)依靠外部供給的熱量進行木炭的燃燒，使木炭中的揮發(fā)物質(zhì)減少，最終形成了生物炭。
實際上，上述四個階段反應(yīng)過程會相互交叉進。
2 生物質(zhì)熱解工藝類型及產(chǎn)物分析
2.1生物質(zhì)熱解工藝類型
通常根據(jù)生物質(zhì)的加熱速率和反應(yīng)時間可將生物質(zhì)熱解工藝分為慢速熱解、快速熱解兩種方式。慢速熱解工藝又可分為炭化和常規(guī)熱解。一般說來，慢速熱解在較低的反應(yīng)溫度和較長的反應(yīng)時間條件下進行熱解，是一種炭化過程，產(chǎn)物以木炭為主，大約占重量的30%，占能量的50%；快速熱解是將磨細的生物質(zhì)原料放在快速熱解裝置中，嚴格控制加熱速率（一般大致為10～200℃/s）和反應(yīng)溫度（控制在500℃左右）， 生物質(zhì)原料在缺氧的情況下，被快速加熱到較高溫度，從而引發(fā)高分子的分解，產(chǎn)生了低分子氣體和可凝性揮發(fā)分以及少量焦炭產(chǎn)物，快速熱解完成的時間非常短，故又稱為閃速熱解4~5。與慢速熱解相比，快速熱解的傳熱反應(yīng)過程發(fā)生在極短的時間內(nèi)，強烈的熱效應(yīng)直接產(chǎn)生熱解產(chǎn)物，可以最大限度的生產(chǎn)液態(tài)焦油，液態(tài)焦油與原生物質(zhì)比較具有較高的能量容積密度，且容易處理、儲存和運輸，代表了今后生物制轉(zhuǎn)換和利用的方向。
2.2生物質(zhì)熱解產(chǎn)物分析
生物質(zhì)熱解過程最終會生成氣態(tài)燃氣、液態(tài)焦油和固態(tài)半焦三種成分。3
種成分的比例取決于熱解工
藝的類型和反應(yīng)條件。一般情況下，低溫低速且溫度不超過580℃熱解時，產(chǎn)物主要以固態(tài)半焦為主；高溫快速且熱解溫度范圍在700～1100℃熱解時，產(chǎn)物主要以不可凝的氣態(tài)燃氣為主；當中溫閃速且熱解溫度在500～600℃時，產(chǎn)物主要是液態(tài)焦油為主，可達到60%～80%。其中，產(chǎn)物中的不可凝氣態(tài)燃氣成分主要由H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4 等組成,可以通過氣相測譜儀來測定其組成成分；液態(tài)焦油的含氧量高，吸濕性強，長時間貯存會發(fā)生相分離及沉淀,因此，在大規(guī)模利用前，必須對其進行精制處理,其具體結(jié)構(gòu)組成可以通過質(zhì)譜儀來測定；固態(tài)半焦可被加工成活性炭用于化工和冶煉，這些應(yīng)用可以為化工及冶煉工作帶來一定的便利。其結(jié)構(gòu)組成可以通過掃描電鏡來分析5。
3生物質(zhì)熱解技術(shù)的優(yōu)勢及其應(yīng)用展望
3.1生物質(zhì)熱解技術(shù)的優(yōu)勢
生物熱解的燃料能源轉(zhuǎn)化率可達95.5%，最大限度地將生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品，是生物質(zhì)能利用技術(shù)的主要方法之一，并越來越得到重視，這表明了生物質(zhì)熱解技術(shù)本身所具備的明顯的優(yōu)勢，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面：
（1）生物質(zhì)熱解技術(shù)對于原料的種類沒有嚴格要求，城市固體廢棄物，農(nóng)業(yè)、林業(yè)廢物都能氣化。
�。�2）生物質(zhì)熱解產(chǎn)物主要為氣態(tài)燃氣、液態(tài)焦油和固態(tài)半焦，可以根據(jù)不同的需要加以利用，而直接燃燒生物質(zhì)的方法只能利用其熱能。
�。�3）與生物質(zhì)氧化氣化和直接燃燒相比，熱解可以簡化污染控制，生物質(zhì)在無氧或者低氧的條件下熱解時污染物排放少。
�。�4）熱解氣化技術(shù)用于供熱發(fā)電與直接燃燒的成本相當，甚至與包括天然氣聯(lián)合循環(huán)在內(nèi)的所有其他發(fā)電技術(shù)的成本相比同樣具有競爭力6。
（5）產(chǎn)物中的硫、重金屬等有害成分大部分被固定在炭黑中，可以回收重金屬，進一步減少污染。
3.2生物質(zhì)熱解技術(shù)應(yīng)用前景
能源短缺是21世紀人類將面臨的重大問題，而生物質(zhì)來源非常豐富，在礦物能源日益緊缺的今天，生物質(zhì)熱解技術(shù)無疑為這些難題提供了十分有效的保障。此外。低品位的燃料已經(jīng)不能適應(yīng)人類發(fā)展的需求，因此生物熱解技術(shù)通過將簡單的熱效應(yīng)充分轉(zhuǎn)化為化學能等高品位的能源的這一技術(shù)特點將會成為未來生物質(zhì)能發(fā)展的趨勢，所以說生物質(zhì)熱解技術(shù)在當今和未來都會有著廣泛的應(yīng)用前景，然而需要清醒的認識到，生物質(zhì)熱解機理研究依然存在著很多問題與難點，對于生物質(zhì)的熱解機理，就日前人們的研究程度，依然不能夠完整詳細的表達出來。同時，在生物質(zhì)熱解的產(chǎn)品和技術(shù)應(yīng)用等諸多方面還存在著這樣和那樣的問題，如液態(tài)焦油成本通常比傳統(tǒng)油要高：液態(tài)焦油與傳統(tǒng)燃料不相容，需要專用的燃料處理設(shè)備；廣大用戶不熟悉生物質(zhì)熱解技術(shù)的產(chǎn)品；產(chǎn)品的銷售和使用缺乏統(tǒng)一標準等等，但是相信隨著該技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，研究方向的不斷擴展，這些問題也將會逐一突破，從而使生物質(zhì)熱解技術(shù)未來在應(yīng)對能源危機時發(fā)揮出其巨大的潛能和作用。
參考文獻.
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[6] 齊國利,董芃,徐艷英.生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用和前景[J].節(jié)能技術(shù),2004,22(05),P17-19.
篇二：生物質(zhì)熱解
研究熱解溫度對玉米秸稈熱解產(chǎn)品產(chǎn)率及成分的影響。圖2是在不同熱解溫度下，熱解產(chǎn)品液體、半焦及不可凝煤氣的產(chǎn)出情況。實驗結(jié)果表明，在480℃左右液體收率最高，可達到45%以上，氣體產(chǎn)率較低。但隨著溫度的提高，液體收率明顯下降，而氣體明顯增加，半焦的產(chǎn)率也有所下降。
對不同熱解溫度所獲煤氣的組分進行了分析，部分結(jié)果如圖所示。從圖3看出隨溫度提高，CO2 濃度明顯下降，而H2 含量明顯增加。而CO、CnHm 、CH4 在實驗范圍內(nèi)沒有明顯變化。所獲煤氣的熱值較高一般均在16 MJ/Nm3 左右。隨著溫度提高，由于CO2降低、H2增加，煤氣熱值略有增加。
根據(jù)上述熱解實驗結(jié)果，為了獲得較高產(chǎn)率的'中熱值煤氣需要保持700℃以上的熱解溫度。有些干餾制氣方法，由于傳熱限制，實際反應(yīng)溫度低，因而煤氣產(chǎn)率下降。
秸稈類生物質(zhì)主要是由纖維素(40%)、半纖維素(30%)、木質(zhì)素(10%)及各種提取物等組 成,組成元素主要是碳、氫、氧、氮等。秸稈類生物質(zhì)加熱后熱解生成可燃氣體(主要成分為CO、H2、CH4、CnHm、CO2等),液體焦油和固體焦炭。深入研究生物質(zhì)燃料的熱解特性,對于其有效利用至關(guān)重要。
油菜稈熱裂解后主要成分為含
氧官能團的有機化合物，幾乎包括了所有化學類有機物，諸如有機酸、苯酚類物質(zhì)和一些醛酮類物質(zhì)。相同原料熱解產(chǎn)生的主要成分基本相似，如糠醛、鄰乙氧基苯酚、2，6一二甲基苯酚、丁子香酚等，它們是各溫度下熱解的相同產(chǎn)物，其保留時間在相對較小的范圍內(nèi)浮動。這是因為各大類的熱解產(chǎn)物都主要是由油菜稈的3大組分即纖維素、半纖維素、木質(zhì)素熱解產(chǎn)生，所以基元反應(yīng)機理相同。醛、酸和酮類化合物、少量的吡喃等雜環(huán)化合物是由纖
維素熱裂解得到的，而芳香化合物、取代酚的混合物以及熱裂解副產(chǎn)品是木質(zhì)素裂解的主要產(chǎn)物
實驗證明1、生物油產(chǎn)率對于反應(yīng)條件極其敏感,提出可以利用等離子體射流速率可調(diào)的特點來控制反應(yīng)溫度,從而達到生物質(zhì)選擇性熱解液化。2、如果能促進快速熱解過程中CO2的生成,生物油中的氧含量將會減少。3、利用流化床反應(yīng)器開展了稻稈和木屑熱解制取生物油的研究,發(fā)現(xiàn)快速升溫能有效縮短顆粒在低溫階段的停留時間而抑制炭的生成,有助于生物油的生成,且低灰分的生物質(zhì)要比高灰分的生物質(zhì)更適于熱解制取生物油,并用GC-MS聯(lián)用技術(shù)定量分析了生物油的主要成分。
干基（無水）狀態(tài)下的生物油含有50%可被GC-MS(氣質(zhì)聯(lián)用)分析的組分、25%可被HPLC-MS(液質(zhì)聯(lián)用)分析的組分(主要是糖類組分)以及25%很難被檢測的組分(主要是木質(zhì)素裂解物)。
篇三：生物質(zhì)熱解原理與技術(shù)(朱錫鋒)
《生物質(zhì)熱解原理與技術(shù)》可作為高等學校和科研院所相關(guān)專業(yè)的研究生和高年級本科生的 教材使用，也可以作為生物質(zhì)能領(lǐng)域工程技術(shù)人員的參考資料使用。
目錄
目 錄
《21 世紀新能源叢書》序
前言
第1 章 概述 1
1.1 能源的基本概念 1
1.2 綠色植物光合作用 3
1.3 生物質(zhì)資源與分類 6
1.4 生物質(zhì)的物理性質(zhì). 10
1.4.1 生物質(zhì)的含水率.10
1.4.2 生物質(zhì)的密度.10
1.4.3 堆積角、內(nèi)摩擦角和滑落角 11
1.4.4 生物質(zhì)炭的機械強度.12
1.4.5 生物質(zhì)的比表面積.13
1.4.6 生物質(zhì)的孔隙率.13
1.4.7 生物質(zhì)的比熱容.13
1.4.8 生物質(zhì)的導熱系數(shù).13
1.5 生物質(zhì)的燃料特性. 14
1.5.1 生物質(zhì)的燃燒.14
1.5.2 生物質(zhì)的發(fā)熱量.15
1.5.3 生物質(zhì)燃料的化學當量比 17
1.6 生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù). 18
參考文獻 22
附錄1-1 我國農(nóng)作物秸稈資源及其分布 22
附錄1-2 固體生物質(zhì)燃料全水分測定方法 27
第2 章 生物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu). 30
2.1 生物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu). 30
2.2 生物質(zhì)的元素分析. 36
2.3 生物質(zhì)的工業(yè)分析. 41
參考文獻 47
附錄2-1 纖維素聚合度的測定方法及常見生物質(zhì)原料的組成成分 48
附錄2-2 常見生物質(zhì)原料的分析結(jié)果 56
第3 章 生物質(zhì)的熱解原理. 80
3.1 纖維素熱解機理 80
3.1.1 纖維素熱解機理概述. 80
3.1.2 纖維素熱解液體產(chǎn)物組成 81
3.1.3 LG 的形成 81
3.1.4 其他脫水糖衍生物的形成 90
3.1.5 呋喃類產(chǎn)物的`形成. 93
3.1.6 小分子醛酮類產(chǎn)物的形成 94
3.1.7 纖維素快速熱解的整體反應(yīng)途徑 97
3.2 半纖維素熱解機理.100
3.2.1 半纖維素熱解機理概述 100
3.2.2 半纖維素熱解液體產(chǎn)物組成 100
3.2.3 脫水糖衍生物以及呋喃類產(chǎn)物的形成 100
3.2.4 小分子物質(zhì)的形成.104
3.2.5 木聚糖快速熱解的整體反應(yīng)途徑 104
3.3 木質(zhì)素熱解機理 107
3.3.1 木質(zhì)素熱解機理概述.107
3.3.2 木質(zhì)素模型化合物及其熱解機理.107
3.4 生物質(zhì)熱解的主要影響因素 118
3.4.1 加熱速率的影響. 118
3.4.2 熱解溫度的影響. 118
3.4.3 熱解時間的影響.122
3.4.4 原料種類的影響.122
3.4.5 原料性質(zhì)的影響.123
3.4.6 其他因素的影響.124
參考文獻 125
第4 章 生物質(zhì)的熱解炭化.130
4.1 概述 130
4.2 生物質(zhì)熱解炭化原理.130
4.3 生物質(zhì)熱解炭化裝置.132
4.3.1 傳統(tǒng)生物質(zhì)熱解炭化裝置 133
4.3.2 新型生物質(zhì)熱解炭化裝置 140
4.4 生物質(zhì)炭的性質(zhì)與應(yīng)用.146
4.4.1 生物質(zhì)炭的組成.146
4.4.2 生物質(zhì)炭的性質(zhì).147
4.4.3 生物質(zhì)炭的應(yīng)用.149
4.5 醋液與焦油的性質(zhì)與應(yīng)用.152
4.5.1 醋液的組成與性質(zhì).152
4.5.2 醋液的應(yīng)用.156
4.5.3 焦油的組成與性質(zhì).157
4.5.4 焦油的應(yīng)用.159
參考文獻 160
第5 章 生物質(zhì)的熱解氣化.165
5.1 概述 165
5.2 生物質(zhì)氣化技術(shù)分類.167
5.2.1 按氣化壓力進行分類.167
5.2.2 按氣化溫度進行分類.168
5.2.3 按氣化劑進行分類.168
5.2.4 按加熱方式進行分類.169
5.2.5 按氣化爐結(jié)構(gòu)進行分類 170
5.3 生物質(zhì)熱解氣化原理.174
5.3.1 氣化基本原理.174
5.3.2 氣化反應(yīng)動力學.176
5.3.3 氣化反應(yīng)平衡分析.179
5.3.4 氣化主要影響因素.181
5.3.5 氣化主要評價參數(shù).184
5.4 典型氣化爐及其設(shè)計舉例.186
5.4.1 生物質(zhì)氣化裝置的構(gòu)成 186
5.4.2 下吸式固定床氣化爐.187
5.4.3 上吸式固定床氣化爐.188
5.4.4 氣化爐設(shè)計計算舉例.189
5.5 生物質(zhì)氣化氣體的凈化.191
5.5.1 燃氣中焦油的特點及其危害 191
5.5.2 傳統(tǒng)的焦油去除方法.192
5.5.3 催化裂解去除焦油方法 193
5.6 生物質(zhì)氣化技術(shù)的應(yīng)用.196
5.6.1 生物質(zhì)氣化供熱.196
5.6.2 生物質(zhì)氣化集中供氣.197
5.6.3 生物質(zhì)氣化發(fā)電.198
5.6.4 生物質(zhì)氣化制氫.199
5.6.5 生物質(zhì)氣化合成液體燃料 200
參考文獻 207
附錄5-1 生物質(zhì)氣化集中供氣站建設(shè)標準 207參考文獻 257 第7 章 生物油的性質(zhì)與應(yīng)用.259
7.1 概述 259
7.2 生物油的化學組成及其分離與分析 259第6 章 生物質(zhì)的熱解液化.215
6.1 概述 215
6.2 生物質(zhì)原料預(yù)處理.216
6.2.1 破碎預(yù)處理.216
6.2.2 干燥預(yù)處理.219
6.3 生物質(zhì)進料系統(tǒng) 225
6.3.1 螺旋進料系統(tǒng)概述.225
6.3.2 螺旋進料系統(tǒng)的動力學分析 227
6.3.3 螺旋進料器的設(shè)計.229
6.4 熱解液化反應(yīng)器 231
6.4.1 流化床式熱解反應(yīng)器.231
6.4.2 非流化床式熱解反應(yīng)器 235
6.4.3 典型熱解反應(yīng)器的設(shè)計計算 237
6.5 熱解產(chǎn)物氣固分離.242
6.5.1 概述 242
6.5.2 旋風分離器.243
6.5.3 過濾式除塵器.246
6.5.4 氣固分離裝置的發(fā)展趨勢 248
6.6 熱解氣冷凝與生物油收集.249
6.6.1 熱解氣的組成.249
6.6.2 熱解氣的冷卻與冷凝.249
6.6.3 噴霧降膜冷凝的機理.251
7.2.1 生物油的化學組成.259
7.2.2 生物油的分離與分析.266
7.3 生物油的理化性質(zhì).272
7.3.1 生物油的微觀多相性.272
7.3.2 生物油的水分.274
7.3.3 生物油的相溶性.275
7.3.4 生物油的熱值.276
7.3.5 生物油的黏度和流變特性 276 目 錄 ix
7.3.6 生物油的閃點.277
7.3.7 生物油的傾點和濁點.277
7.3.8 固體顆粒和灰分.278
7.3.9 生物油的揮發(fā)降解特性 279
7.3.10 生物油的潤滑性.279
7.3.11 生物油的腐蝕性.280
7.3.12 生物油的安定性.280
7.3.13 生物油的毒性.281
7.3.14 生物油的降解性.281
7.3.15 小結(jié) 281
7.4 生物油的化工應(yīng)用.282
7.4.1 分離高附加值化學品.282
7.4.2 制備特定化學品.287
7.4.3 生物油氣化制備合成氣 288
7.4.4 生物油重整制備氫氣.291
7.4.5 生物油化工應(yīng)用前景.294
7.5 生物油的燃燒應(yīng)用.294
7.5.1 生物油的基本燃燒特性 294
7.5.2 生物油的霧化燃燒特性 297
7.5.3 生物油的燃燒應(yīng)用.298
7.5.4 生物油燃燒應(yīng)用前景.302 參考文獻 304
附錄7-1 生物油性質(zhì)的分析方法 308 索引.314
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