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生物质热解技术研究现状及其进展 |
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| 生物质热解技术研究现状及其进展 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 10:19:04  |
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李伍刚 李瑞阳 郁鸿凌 徐开义
上海理工大学 上海 200093
1引言
能源是人类生存与发展的前提和基础，从远古时代原始人钻木取火到近代以蒸汽机为代表的工业革命，人类文明的每一跨越和进步都与所用能源种类及其利用方式紧密相连。目前人类赖以生存和进行经济建设的一次能源主要是矿物能源（煤、石油、天然气、核能等）。矿物能源的使用隐藏着两个严重问题，其一：根据目前的全球能耗量和矿物能源已探明的储量，煤、石油、天然气、核燃料可使用年限分别为220、40、60和260年[1]，从长远来看人类必将面临能源危机。其二：矿物能源对环境有巨大破坏作用，矿物能源燃烧产生大量CO2、SOx、NOx等气体。CO2属温室效应气体，会造成全球变暖及臭氧层破坏。NOx、SOx等有害气体会直接对环境、设备和人体健康构成危害。故此，作为有重要长远意义和战略意义的技术储备，寻求清洁的可再生能源及其利用技术，已成为全球有识之士的共识，受到各国政府和研究机构的广泛关注。
生物质是一种清洁的可再生能源，生物质快速热解技术是生物质利用的重要途径，所谓热解就是利用热能打断大分子量有机物、碳氢化合物的分子键，使之转变为含碳原子数目较少的低分子量物质的过程。生物质热解是生物质在完全缺氧条件下，产生液体(生物油)、气体(可燃气)、固体(焦碳)三种产物的生物质热降解过程。
2 热解技术的研究概况
2.1 热解工艺简介
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解分为炭化(慢热解)、快速热解和气化。由于液体产物的诸多优点和随之而来的人们对其研究兴趣的日益高涨，对液体产物收率相对较高的快速热解技术的研究和应用越来越受到人们的重视。快速热解过程在几秒或更短的时间内完成。所以，化学反应、传热传质以及相变现象都起重要作用。关键问题是使生物质颗粒只在极短时间内处于较低温度(此种低温利于生成焦碳)，然后一直处于热解过程最优温度。要达到此目的一种方法是使用小生物质颗粒(应用于流化床反应器中)，另一种方法是通过热源直接与生物质颗粒表面接触达到快速传热(这一方法应用于生物质烧蚀热解技术中)。由众多实验研究得知，较低的加热温度和较长气体停留时间有利于碳的生成，高温和较长停留时间会增加生物质转化为气体的量，中温和短停留时间对液体产物增加最有利[2]。
2.2 热解装置
生物质热解技术常用装置类型有：固定床、流化床、夹带流、多炉装置、旋转炉、旋转锥反应器、分批处理装置等。其中，流化床装置因能很好地满足快速热解对温度和升温速率的要求而被广泛采用。下面介绍可操作性强的几种典型热解装置。
(1) 气流床热解[2]
佐治亚技术研究公司开发出一种气流床。其流程如下图。床直径为15 cm，高4.4 m。能保证停留时间1 s ～2 s。木材粉末(粒径0.3 mm～0.42 mm)被燃烧废气带入反应器。热解所需热量由载气提供。载气温度低于745℃。和生物质的重量比为8，以保证所提供的热量能获得最大的液体收率。该系统进料速率为15 kg×h-1。可生成58%的生物油(干基)和12%的焦碳(无水无灰基)。
(2) 真空热解[3]
生物质在一个高2 m、直径0.7 m的真空多级炉缸内进行热解，该反应器可实现水与油组分的分离、回收。反应温度为350℃～450℃。在炉的每一段收集液体组分。收率可达50%(分析基)。整个过程的热效率为82%。实验原料包括木材、树皮、农业渣料、泥炭和城市垃圾，进料量为0.8 kg×h-1～35 kg×h-1。
(3) 旋转锥反应器[4,5]
旋转锥反应器由Twente 大学开发。它通过离心力输送生物质，150 kg×h-1加工能力的装置业已运行。最近宣布了达到10 t×天-1加工能力的计划。旋转锥技术的主要特色如下：旋转的加热锥产生离心力驱动热砂和生物质;碳在第二个鼓泡流化床燃烧室中燃烧，砂子再循环到热解反应器中；热解反应器中的载气需要量比流化床和传输床系统要少,然而需要增加用于碳燃烧和砂子输送的气体量；旋转锥热解反应器、鼓泡床碳燃烧器和砂子再循环管道三个子系统统一操作比较复杂；典型液体产物收率：60%～70%重量(干基)。
(4) 快速热解[6,7]
热解反应器为常压、450℃～500℃的砂浴流化床，在15 g×h-1～100 g×h-1的实验装置和2 kg×h-1～3 kg×h-1的中试装置上开展了大量的研究，对温度在快速热解中的作用也进行了研究。结果表明，对任何类型的反应器。如果让生物质颗粒加热到500℃所需的时间远小于颗粒的停留时间。则对于给定的进料速度和停留时间，反应器温度是决定焦碳、生物油和气体收率的唯一变量。
(5) 部分燃烧的热解[8]
由生物质生产液体燃料的热解工厂(500 kg×h-1)从1985年起就已在意大利投入运行。原料包括木条橄榄壳、稻草和藤枝。原料经筛分、复切，在进入反应器前先到回转干燥器中干燥，反应过程中，通入空气，进行部分燃烧，以提供反应所需热量。操作条件为常压和500℃。副产物焦碳在旋风分离器中收集。气体通过冷却器由循环产物水直接冷却。油水混合物在重力分离器中分离。粗油产率为20%~25%，与焦碳产率相近。粗油为黑色，粘度55 cP。含氧量31%、含水量15%，还悬浮着10%焦碳。粗油密度为1.195 g×mL-1。
(6) 低温热解[8]
这种热解的反应温度不超过350℃，反应时间不超过60 min。目的是生产低氧含量的油。在实验室规模上同时进行了间歇和连续热解的研究。在间歇实验中，脱水污泥或其他生物质在厌氧环境下于20 min内被缓慢加热到300℃～350℃。液体产物在冰浴中收集。连续装置是基于一个间接加热的螺旋式火炉。因为污泥中的硅、硅酸盐和重金属可以充当催化剂,所以反应中无需任何添加剂。低温热解的油收率为18%～27%，焦碳收率为50%～60%，油的H/C@1.7。由生物质得到的油，氧含量为15%，而由污泥得到的油的氧含量则低于5%。
(7) 涡流式烧蚀热解[9]
同其他热解方法相比，烧蚀热解在原理上有实质性的不同。在所有其他热解方法中，生物质颗粒的传热速率限制了反应速率，因而要求较小的生物质颗粒。在烧蚀热解过程中，热量通过热反应器壁面来“融化”与其接触的处于压力下的生物质(就好象在煎锅上融化黄油，通过加压和在煎锅上移动可显著增加黄油的融化速率)。这样，热解前锋通过生物质颗粒单向地向前移动。生物质被机械装置移走后，残留的油膜可以给后继的生物质提供润滑，蒸发后即成为可凝结的生物质热解蒸汽。反应速率的影响因素有压力、反应器表面温度和生物质在换热表面的相对速率。
图3为NREL（National Renewable Energy Lab, USA）开发的烧蚀旋转反应器，装置中的生物质被加速到超音速来获得加热筒体内的切向高压。未反应的生物质颗粒继续循环，反应生成的蒸汽和细小的碳粒沿轴向离开反应器进入下一工序。典型的液体收率为60%～65%(干基)
2.3 5 kg·h-1闪速液化实验台建设
本装置由流化床热解反应器、进料装置、非标准电加热器、气—气换热器、气—水换热器、风机、集油器、水过滤器、旋风分离器和数据采集控制系统构成。反应器本体是内径为f125 mm、f150 mm的不锈钢管和中间过渡大小头焊接成的一个整体，这样反应器内床料可构成内循环，改善了换热条件。设计工作温度600 ℃左右。反应器外有加热器件及保温材料，确保反应器内温度达到工艺要求。由于生物质颗粒流动性差，颗粒之间容易搭桥，易造成给料过程中料仓和进料螺杆之间产生空隙，进料螺杆空转而无生物质颗粒进入反应器本体，影响连续进料。为达到连续生产要求，料仓内装有搅拌器，以确保给料连续。进料装置采用变频电机驱动，通过实验找到约5 kg×h-1进料量的频率范围。采用两级换热器方式。气—气换热器的采用是为了充分利用热量，以提高整个装置的效率。通过控制风机风量来调整进入气—水换热器的风速，以达到快速冷却的目的。
3 目前存在问题及建议[10]
液体生物油具有易存储、易运输和能提供某些有价值的化工原料等诸多优点。但涉及到产品、技术和应用诸方面，热解技术还存在如下一些问题：生物油成本通常比矿物油高10%～100%；生物油同传统燃料不相容，需要专用的燃料处理设备；广大用户不熟悉这种产品；不同生物油品质相差很大，生物油的使用和销售缺少统一标准，阻碍其广泛应用。因此，需要做大量工作对生物油分类及制定标准，并寻求更广泛的应用。
由于上述问题，所以对快速热解研究还需要做如下工作：建造更大的生产装置，降低生物油成本；提高产物品质，包括为生产者和用户制定规范和标准；生物油的储存、运输和加工过程要符合环保要求；加大宣传力度，鼓励开发商生产及用户使用生物油。对热解过程进一步研究和优化还有很大潜力，而我国在这一方面的研究起步较晚，更须加倍努力，缩小与欧美发达国家间的差距。
4 结束语
我国是农业大国，生物质资源非常丰富，而且价格极其便宜。因此，生物质能转化技术的深入研究、开发和应用，不但可以充分利用我国现有的生物质资源开发替代能源，变废为宝，而且可以优化农村能源消费结构，减少温室气体排放，维持农村地区生态平衡，为我国经济快速可持续发展做出贡献。
参考文献
[1] 李瑞阳. 21世纪的重要能源—生物质能[J]. 世界科学, 1999, (10): 25-27.
[2] Bridgwater A V, Peacocke G V C. Fast pyrolysis processes for biomass[J]. Sustainable and R enewable Energy Reviews. 1999, 4(1): 1-73.
[3] Yang J, Blanchette D, de Caumia B, Roy C. Modelling, scale-up and demonstration of a vacuu m pyrolysis reactor[A]. Bridgwater A V. Progress in Thermochemical Biomass Conversion[C]. Oxford: Blackwell, 2001.
[4] 徐保江, 李美玲, 曾忠. 生物质热解技术的应用前景[J]. 能源研究与信息, 1999, 15(2): 19-24.
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[9] Lé dé J, Panagopoulos J, Li H Z, Villermaux J. Fast pyrolysis of wood: direct measurement and study of ablation rate[J]. Fuel, 1985, 64:1514-1520.
[10] Bridgwater A V. Towards the bio-refinery－Fast pyrolysis of biomass[J]. Renewable Energy World. 2001, (1): 66～8.3
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