新能源概论作业

生物质能利用与其热解装置研究进展

摘要

生物质能源作为一种清洁的可再生能源,也是唯一的可再生碳源,生物质快速热解制生物油被认为是最有潜力的应用技术之一，本文结合国内外学者的研究，综述了生物质能利用途径，简要介绍了生物质能热解技术与其热解装置。

关键字：生物质能热解技术热解装置

Abstract：Biomass energy as a clean and renewable energy, is also the only renewable carbon source, biomass fast pyrolysis for bio-oil is considered one of the most promising application technology. Combined with domestic and foreign scholars, Ways of utilization of biomass energy are summarized, this paper briefly introduces the biomass pyrolysis and pyrolysis device.

1引言

随着世界各国经济的飞速发展，各个国家和地区对能源的需求量也越来越大。当今经济的发展主要是建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料的基础上，但是化石燃料具有短时间内的不可再生的特点，据预测，按照目前已探明的能源储备量以及对能源的开采速度来看，煤炭可使用220年左右，石油为40年左右，天然气为60年左右；而且过度地使用化石燃料还会产生很严峻的环境问题，据有关部门预测，按照目前的二氧化碳排放速度来看，到2020年二氧化碳的排放量将会增加两倍多，2025年更是会增加到三倍，人们面临的全球温室效应越来越严重，而且化石燃料的使用还会造成氮、硫氧化物的排放，形成可怕的酸雨。因此，探索新型清洁能源以替代化石燃料已经成为了各国研究人员研究的重点。

生物质能主要是指绿色植物通过光合作用将太阳能以化学能的形式储存在生物体中。与传统的化石燃料相比，它是一种可再生的绿色能源，并且生物质还可以通过生物、物理、化学的方法转化为固态、液态和气态产品，不但可以为人们的生产生活提供能源，而且是众多化工部门生产的原材料。从光合作用的原理来看，利用生物制获取能源的全过程是一个二氧化碳排放量基本为零的过程，而且生物质具有硫、氮含量低的特点，所以生物质能再利用的过程中排放的氮、硫氧化物比传统化石燃料要少得多。生物质能虽然间接来源于太阳能，但是太阳能的能量密度低，不容易收集，到达地球的太阳能只有很少一部分被人们所利用，大部分被大气和其他物质吸收，目前人们对太阳的利用技术上还不是很成熟，与太阳能相比，生物质能的能量密度较高。

据估计，地球上每年由植物光合作用固定的碳高达1×1011t，含有能量3×1021t，相当于

全世界每年耗能的10倍多，然而生物质能的利用却很少，仅占世界能源消耗的14%。我国是一个农业大国，每年可产生大约9.39亿吨的农作物废弃物，其中的大部分可以作为能源，具有很大的利用潜力。

2 生物质能源的特点

按照生物质来源的不同可以把生物质分为四种：林业资源、农业资源、生活垃圾和禽畜粪便。林业资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪柴、砍伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等，木材加工过程中的枝丫、锯末、木屑、截头等，林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。农业资源是指能源植物、农作物秸秆、农业加工的废弃物等。

生物质能具有其它能源不具有的特点，主要体现在它分布广泛、产量巨大、可再生能力强、再生周期短、开发转化技术相对简单、绿色无污染。将生活生产中的农林废弃物转化为生物质能源是一举多得的事儿，不但能缓解当前的能源危机，而且最大化地利用了资源，对环境保护也有很大的益处。

3 生物质能的利用途径

就目前的研究现状来看，生物质的利用途径按照大块可以划分为：物理转化、化学转化和生物转化三大类。物理转化较为简单，生物转化主要包括发酵和水解发酵。化学转化是目前研究最广泛也是技术进步最为明显的方法，它主要包括直接燃烧、液化、气化和热解四个小类。下面我们将对这几种方法做详细介绍。

3.1 物理转化

所谓生物质物理转化主要就是将生物质粉碎至一定的粒度，不添加粘接剂，在高压条件下，挤压成一定形状。其粘接力主要是靠挤压过程所产生的热量使生物质中木质素产生塑化粘接。成型物进一步炭化制成木炭。生物质固化解决了生物质能形状各异、堆积密度小且较松散、运输和贮存使用不方便的问题，提高了生物质的使用效率。

3.2 生物转化

生物转换是指利用微生物（如厌氧菌、光合细菌、酵母菌等）在一定的温度

和无氧条件下，将生物质（主要是农作物秸秆、粪便、有机废水等）降解产生小

分子化合物（如甲烷、乙醇、氢气等）的过程。目前较为成熟的是厌氧发酵制取沼气和发酵制取乙醇技术。厌氧发酵制取沼气是指富含碳水化合物、蛋白质和脂肪的生物质在厌氧条件下，依靠厌氧微生物的协同作用转化成甲烷、二氧化碳、氢及其他产物的过程；发酵制取乙醇是指直接利用富含糖类的生物质发酵制取乙醇或者是将富含纤维素的生物质经水解为糖

类以后再发酵为乙醇的过程。另外还有生物质发酵制氢技术，但还不是很成熟。

3.3 生物质直接燃烧

直接燃烧生物质获取能量是目前生物质能利用的最主要方式，生物质的燃烧过程是强烈的放热化学反应，除燃料的存在外，发生燃烧必须有足够的热量供给和适当的空气供应。生物质直接燃烧的技术成熟、设备简单、燃烧后的灰分用途广泛。但是生物质燃料的高含水量，使锅炉的排烟容积增大，锅炉效率降低，燃烧

某些碱金属含量较高的燃料时容易引起受热面的高温腐蚀。某些氮含量较高的生物质直接燃烧会造成气体中氮氧化物浓度的增加。

3.4 生物质液化

生物质液化是指通过化学反应将生物质转变成液体产品的过程。液化技术主要有直接液化和间接液化两类。直接液化就是在较高的压力下液化，故又称高压液化。把生物质放在高压设备中，添加适宜的催化剂，在一定的工艺条件下反应，反应物的停留时间一般为几十分钟，然后制成液化油，作为汽车用燃料或进一步分离加工成化工产品。间接液化就是把生物质气化后，再进一步合成为液体产品，或采用水解法把生物质中的纤维素、半纤维素转化为多糖，然后用生物技术发酵成酒精。

3.5 生物质气化

生物质气化是指生物质在较高的温度(700-900℃)下，与气化剂（如空气、氧气或水蒸气）反应得到小分子可燃气体的过程。产出的气体中主要含有一氧化碳、氢气和甲烷，以及少量的二氧化碳和氮气，该气体主要作为燃料使用。气化反应过程复杂，主要有氧化、还原、裂解和干燥等环节。

3.6生物质热解

生物质热解是指生物质在完全缺氧或有限氧供给的条件下热降解为液体生物油、可燃气体和固体生物质炭三种产品的过程。受热解条件（包括热解系统、热解方式和催化剂）和生物质类型的影响，热解产物的产率及组成有很大的差异。目前关于生物质热解的主要方向是热解气化和热解液化。

热解气化是指生物质在高温下热解，产生挥发物，热解后的产物与气化介质发生氧化反应，其热量用于维持干燥、裂解和还原反应，最终生成了含有CO、H2、CH4、C n H m的混合气体，这些气化产物主要用于发电和酒精合成。

热解液化是指生物质中的有机高聚物，在隔绝空气、常压、快速加热、超短反应时间、气态产物超短停留时间等条件下，迅速断裂为短链分子，使结炭和产气量降到最小，从而最大

限度的获得燃料油。液化生物油可以用于直接燃烧，经过加氢脱氧改良后的生物油与传统化石燃料的性质接近，可以用于内燃机、燃气轮机以及与石油掺合。另外，生物油还可以作为作为化工生产的原材料,经过裂解精制可以生产出人们需要的化工产品。目前，围绕生物质热解液化的研究最为普遍，本课题的研究重点就是生物质热解气化制取生物油。

4 生物质热解设备研究进展

随着世界各国对生物质热解制取生物油技术的重视，各种各样的热解设备陆续出现。热解反应器的设计一般必须考虑到生物质在反应器中的输送方式、传热速率的大小、温度的可控性以及冷凝方式的选取。不同的反应器类型和传质传热方式都会对产物产生影响。下面将要介绍的是几种典型的反应器。

4.1 流化床反应设备

流化床反应器由于加热和传热效率高、操作简单、结构紧凑、可以实现连续生产且处理量较大，最有发展潜力因而最受关注。

其中之一是鼓泡流化床，该设备使用砂子作为热载体，由于砂子的热容很大(是相同体积空气的1000倍)，与粉碎为细粉的生物质接触可实现很高的传热速率(1000℃/s以上)，气体停留时间极短，挥发物经过快速冷却后生成生物油并且产率高。该设备可以通过调节载气流量来控制原料颗粒和热解气的停留时间，设备的制造简单、操作方便、温度易于控制，特别适合于小颗粒生物质的热解。

广州能源所设计制作了循环流化床反应器，该设备也是以石英砂为循环介质，在这种设备中，焦炭产物和气体流带出的砂子通过旋风分离器回到燃烧室内循环利用，从而降低了热量的损失。实验表明，油产率在高加热速率、短停留时间以及中温500℃左右时达到最大约63%。华东理工大学制造了最大处理量为5kg/h的导向管喷动流化床裂解反应器，该设备采用的是一种集流化床和喷动床为一体的新型流态化技术。这种技术以沙子为流化介质，反应在常压和440-520℃进行，以木屑为生物质原料，以二氧化碳和氮气作为喷动气。结果表明该固体和气体的产率则随温度的升高而减少，喷动气和流化气流量的增加均强化了反应器内的传热，并使生物质初始裂解产物的停留时间减少，二次反应进行程度减弱，在适当的裂解条件下液体产率可达73.2%。

4.2 烧蚀反应器

关于烧蚀反应器的研究也较为普遍，所谓的烧蚀反应器就是机械接触式反应器中的一种，它是通过一灼热的反应器表面与生物质直接接触，从而把热量传递给生物质使其升温热解。

英国Aston大学设计制造了一种烧蚀反应器，如图所示，该反应装置采用间歇给料的方式，粒径达6.35mm的干燥生物质颗粒填满料斗后将其密封。螺旋给料器将生物质喂入到氮气清扫的反应器中，四个不对称的叶片以200r/min的速率旋转，产生机械压力压住生物质物料与450～600℃左右的反应器底部表面接触产生热解，携带气和生成的气体和挥发份产物一起流出反应器，同时起着控制气相停留时间的作用，焦炭由旋风分离器分离，最高液体产物产量可达75.5%。

图 Aston大学的烧蚀热裂解反应器

荷兰Twente大学反应器工程组及生物质技术集团从1989年开始研制开发的旋转堆反应器也是烧蚀反应器的一种，其结构如图所示。生物质颗粒与过量的惰性热体沙子一起进入反应器旋转锥底部并随之一起沿着高温的锥壁螺旋上升，生物质发生裂解转化，形成可液化的热解气，产生的热解气溢出反应系统进入冷凝器冷却。最终的炭和灰从锥的顶端排出。整个过程中不需要载气，油收集系统的体积和成本得到降低。

图 Twente大学旋转锥反应器

4.3 真空热解反应器

真空反应器的流程如图所示。物料干燥和粉碎后在真空下导入反应系统，然后在两个加热的水平平板上传递，熔融盐加热平板，挥发分产物依靠反应器的真空状态被很快带出反应器后进入冷凝系统收集生物油和水分，实验表明，反应在450℃和15kPa压力的条件下进行，可以获得大量生物油及具有良好表面活性的含碳固体产物。该反应器的优点是真空条件下，一次裂解产物快速离开反应器从而降低了挥发分的裂化和重整过程，减少了裂解气二次反应的机率，但对设备的密封要求较高。

图真空热裂解反应器

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