生物质热裂解技术.doc

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： 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。 热解产气可作多种用途、如供热发电、生成合成气、甲烷、氢等。 与生物质氧化气化和直接燃烧相比，热解气化气的利用污染少。 生物质热解气化发电提高发电效率。采用燃气发动机或燃气轮机的气化发电供热技术，其发电效率可达20%~37%，而采用汽轮机的生物质直接燃烧发电技术的发电效率仅为15%~18%。如果生物质气化气用于燃料电池发电，发电效率可进一步提高至25%~50%。 有研究表明，热解气化技术用于供热发电与直接燃烧的成本相当，甚至与包括天然气联合循环在内的所有其他发电技术的成本相比同样具有竞争力。 通常按温度、升温速率、固体停留时间（反应时间）和颗粒大小等实验条件可将热裂解分为慢速热裂解、常规快速热裂解和闪速热裂解三种方式。在慢速热裂解工艺中又可分为炭化和常规热裂解。 一般说来，慢速热裂解在较低的反应温度和较长的反应时间条件下进行热解，，产物以木炭为主，大约占重量的30%，占能量的50%。 常规热裂解在不足600℃的中等温度和中等反应速率下进行，其气体、液体和固体三种产品的比例大致相等。 闪速热裂解在相对较低的温度下进行，一般为500~800℃。但是它具有较高的加热速率（1000~10000℃/s），较短的气固滞留期，一般小于1s。因此闪速热裂解为大规模生物质材料的开发提供了广阔前景和途径。 2 生物质热裂解机理及影响因素 生物质在热裂解过程中会发生一系列的化学及物理变化。前者包括一系列复杂的化学反应（一次、二次反应），后者包括热量传递和物质传递。 2.1 热裂解过程中生物质成分的变化 生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素3 种主要组成物，及一些可溶于极性或弱极性溶剂的提取物组成的．3 种组份常被假设独立进行热分解，半纤维素主要在225~350℃分解，纤维素主要在325~375℃分解，木质素在250~500℃分解。纤维素是β-D-葡萄糖通过C —C 苷键连接起来的链状高分子化合物，半纤维素是脱水糖基的聚合物，当温度高于 500℃，纤维素和半纤维素将挥发成气体并形成少量炭。木质素是具有芳香族特性的、非结晶性的、具有三维空间结构的高聚物，木质素中的芳香族成分受热时分解比较慢，主要形成炭。提取物主要有萜烯、脂肪酸、芳香物和挥发性油组成。生物质热裂解工艺的开发和反应器的正确设计都需要对热裂解机理进行良好的理解。因为纤维素是多数生物质最主要的组成物，同时它也是相对最简单的生物质组成物，因此纤维素被广泛用作生物质热裂解基础研究的实验原料。纤维素受热分解，聚合度下降，甚至发生炭化反应或石墨化反应，这个过程大致分为4 个阶段： 第1 阶段：25~150℃，纤维素的物理吸附水解吸； 第2 阶段：150~240℃，纤维素大