生物质热解技术研究现状及其进展

能源研究与信息

第17卷第4期 Energy Research and Information Vol. 17 No. 4 2001 文章编号 1008－8857（2001）04－0210－07

生物质热解技术研究现状及其进展

李伍刚，李瑞阳，郁鸿凌，徐开义

（上海理工大学上海 200093）　

摘要生物质热解技术是把低能量密度生物质转化为高能量密度气、液、固产物的

一种新型生物质能利用技术。其中液体产物具有便于运输、储存等优点，可替代燃料

油用于发电、供暖系统以及可代替矿物油提炼某些重要的化学物质。介绍了国内外对

这一技术的各种研究及其进展，并简要介绍了上海理工大学独立研制开发的生物质闪

速液化实验装置。

关键词生物质热解；　生物油

中图法分类号 TK6文献标识码A

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、SO x、NO x等气体。CO2属温室效应气体，会造成全球变暖及臭氧层破坏。NO x、SO x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。

收稿日期：2001－6－10

基金项目：上海市重点学科建设资助项目

作者简介：李伍刚（1974－），男，上海理工大学热能工程专业硕士研究生。

第4期李伍刚等：生物质热解技术研究现状及其进展211

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）。

图1 生物质气流床热解系统

Fig. 1 Schematic of the biomass-pyrolysis system using a fluid-bed reactor

能源研究与信息2001年第17卷212

（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）。

图2 BTG旋转锥实验工厂

Fig. 2 Schematic of the BTG pilot plant using the rotating-cone technique （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