生物质的热解液化

３生物质快速裂解液化技术
生物质快速裂解液化技术的基本原理是；使生 物质中的有机高聚物在隔绝空气、常压，快速加热 （１０３～１０４Ｋ／ｓ的升温速率）、超短反应时间（小于 ｌｓ）的条件下迅速断链为短链分子，使结炭和产气降 到最小限度，从而获得最大限度的燃料油。从以上 表中可以看出；在生物质的快速裂解技术中，被评 价最高和使用最多的是循环流化床和流化床快速 裂解工艺。它们具有很高的加热和热传导速率，且 处理量大，目前产油率最高。而对于漩涡式裂解、 裂解磨等有机械运动的工艺，存在着加工难度大、 设备容易损坏、设备运行与维修较为复杂、处理规 模较小等不利因素。
Ｍｉｕｒａ，Ｌｕｄｌｏｗ－－Ｐａｌａｆｏｘ Ｃ等ｏ“”将用微波裂解生
６展望
生物质能是重要的可再生资源，预计到２１世纪 ５０年代，世界能源消费的５０％将会来自生物质能。 我国有丰富的生物质能资源。随着经济的发展，人 们生活水平的提高，环境保护意识的加强，化石能 源逐渐减少，对包括生物质能在内的可再生资源的 合理、高效地开发利用，必然愈来愈受到人们的重 视。因此，科学地利用生物质能源，加强应用基础 和应用技术的研究，具有十分重要的意义。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｉｏｍａｓｓ
ｅｎｅｒｇｙ
ｉｓ ｓｕｃｈ
ａ
ａｎ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｔｈａｔ
ｔｏ
ｓｔｕｄｙ
Hale Waihona Puke Baiduｏｎ
ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａｎｄ
ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｏｆ ｂｉｏｍａｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ｔｉｅ，ｔｈｅ
ｃｏｎｔｅｎｔｓ
ｐｒｉｍａｒｙ ｔａｓｋ ｆｏｒ ｅｖｅｒｙ ｃｏｕｎｔｒｙ ａｌｌ
分能进一步发生环化、缩合、脱氢、芳构化等利于产 生焦碳的反应，但焦碳的增加不如气体明显。总体 而言，短停留时间有利焦油生成，长停留时间有利 气体生成。 ４．３物料特性对生物质热解的影响 生物质种类、分子结构、粒径及形状等特性对 生物质热解行为和产物组成等有着重要的影响。 其中，生物质粒径的大小是影响热解速率的决 定性因素。粒径在Ｉｍｍ以下时，热解过程受反应动 力学速率控制。而当粒径大于ｌｍｍ时，热解过程中 还同时受传热和传质现象控制。大颗粒物料比小 颗粒传热能力差，颗粒内部升温要迟缓，即大颗粒 物料在低温区的停留要长，从而对热解产物分布造 成了影响。随着颗粒的粒径的增大，热解产物中固 相炭的产量增大。 相同粒径的颗粒，当其形状分别呈粉末状、圆 柱状和片状时，其颗粒中心温度达到充分热解温度 所需的时间不同，三者相比，粉末状的颗粒所需时 问最短，圆柱状的次之，片状的所需时间最长。 整体而言，随着木片厚度的增加，木片表面和 中心之间的温度梯度增加，则整个木片的平均温度
生物质的热解液化
万益琴Ⅵ 刘玉环２ 林向阳粥
阮榕生¨２
（１南昌大学生命科学学院，江西南吕３３００４７ ２江西省生物质转化工程中心，江西南昌３３００４７Ｉ ３福州大学，福建福州３５０００２）
摘要：生物质能源日渐成为生活中的主要能源，研究开发利用生物质能这种可再生能源已经 成为世界各国的一项重要任务。本文综述了生物质液化的各项技术，并着重介绍了生物质的快 速裂解液化技术及其新的技术一生物质的微波裂解技术。 关键词：生物质；能源；液化；微波裂解
５生物质的微波裂解
传统加热方式的生物质裂解技术已经取得一 定的突破，生物油的产率按质量计算最高可达 ７０％，但由于其裂解工艺都无法解决热能传导的均 匀性问题，导致术质纤维素局部裂解过度，产生大 量不可冷凝气体．局部引起裂解产物二次反应，这 就要求裂解反应的生物质需经多次粉碎。消耗掉大 量的能量，使得产品生产价值远远高于产品本身价 值，从而严重地制约了产品的推广和生产规模。 近年来，微波加热技术发展较快，被应用于化 工合成、农业、医疗等较为广泛的领域。Ｍａｓａｋａｔｓｕ
微波加热与传统加热相比，具有以下特点ｔ （１）微波加热能量利用效率很高，物质升温非 常迅速Ｉ （２）由于物质吸收微渡能的能力取决于介电特 性，因此可对混合物料中的各个组份进行选择性加
（３）可以适应各种物科的加热，因此具有较大 的灵活性｜ （４）微波加热无滞后效应，当关闭微波源后，再 无微波能量传向物质ｆ （５）微波加热清洁卫生，无枵染； （６）微波能可以精确地控制和使用，可以实现 自动化控制和微机操作。 由于微波加热较之传统加热方法的独特优势， 越来越受到世界范围内科技工作者的重视。随着 微波设备的性能和可靠性的提高．特别是磁控管的 可靠性的提高，微波作为一种新的能源方式被广泛 应用到工业、农业、医疗等领域。微波加热具有的 独特优势也逐渐ｇｌ起广大石油科技工作者的浓厚 兴趣，各国石油科技工作者开始探索微波能在石油 工业中的应用。 美国Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ的Ｒｕａｎ教授及挪威农业大学 的Ｈｅｙｅｒｄａｈｌ教授和装备的挪威Ｘ—Ｗａｓｔｅ公司进 行合作研制，在微渡高温裂解技术处理玉米秸秆 （ＭＳＷ）已取得一定的进展。研究的结果表明，对于 处理玉米秸秆的生物质可以转化为７５％的气体和 生物油．２５％的焦油残渣ｉ对于处理ＭＳＷ大约转化 为７０％的气体和生物油和３０％焦油残渣。产生的 气体具有很好的可燃性，产生的生物油既是很好的 燃料，又可提炼成高价值的化学制品。还可以通过 优化微波高温裂解技术处理过程来提高这些产品 的质量和得率。且微渡高温裂解对于处理城市固 体废料非常理想．它可实现城市固体废料的无害 化，同时还可实现资源化，经微波高温裂解可回收 和生产高价值产品。
ｏｖｅｒ
ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉ—
ｏｆ ｂｉｏｍａｓｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｓｉｍｐｌｙ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ １ｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｂｉｏ－
ａｒｅ
ｍａｓｓ ｗａｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｔ ｌａｓｔ ｓｏｍｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｒａｐｉｄ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｌｌｅｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍａｓｓ；ｅｎｅｒｇｙ；ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ
目前生物质能的转化技术主要途径
现价段，生物质能的转化技术可以主要归纳成
以下３种途径：
・３１８・
模处理生物质将会受到生物质种类和生物技术的
限制。
响。升温速率增加，物料颗粒达到热解所需温度的 响应时问变短，有利于热解：但同时颗粒内外的温 差变大，由于传热滞后效应会影响内部热解的进 行。随着升温速率的增大，物料失重和失重速率曲 线均向高温区移动。热解速率和热解特征温度（热 解起始温度、热解速率最快的温度、热解终止温度） 均随升温速率的提高呈线性增长。在一定的热解 时问内，慢加热速率会延长热解物料在低温区的停 留时问，促进纤维素和木质素的脱水和炭化反应， 导致炭产率增加。气体和生物油的产率在很大程 度上取决于挥发物生成的一次反应和生物油的二 次裂解反应的竞争结果，较快的加热方式使得挥发 分在高温环境下的停留时间增加，促进了二次裂解 的进行，使得生物油产率下降、燃气产率提高。 ４．２停留时间对热解产物的影响 停留时间是指热解生成的气相产物在加热区 所滞留的时间，试验中通过调节载气流ｔ来实现调 节停留时间的目的．载气的流量和停留时间成反 比。停留时间也是影响生物质热解的重要参数之 一。随挥发份停留时间的增长，液体产率有所下 降，而气体产率明显增加，焦碳产率略有增加。分 析原因，由于长停留时间使得挥发份中大分子焦油 组分有更多的时间和机会发生二次反应裂解为小 分子气体。同时，停留时间的延长，大分子焦油组
ＰＹＲｏＬＹＳＩＳ ＡＮＤ
ＬＩＱＵＥＦＡＣＴｌ０Ｎ
０Ｆ ＢＩｏＭＡＳＳ
Ｗａｎ Ｙｉｎｑｉｎｌ～，Ｌｉｕ Ｙｕｈｕａｎ２，Ｌｉｎ Ｘｉａｎｇｙａｎ９２～．Ｒｏｇｅｒ Ｒｕａｎｌ’２
（１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ，Ｊｉａｎｇｘｉ，３３００４７； ２ Ｔｈｅ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｂｉｏｍａｓｓ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ Ｊｉａｎｇｘｉ，Ｎａｎｃｈａｎｇ，Ｊｉａｎｇｘｉ，３３００４７； ３ Ｆｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ，Ｆｕｊｉａｎ，３５０００２）
２
２・１鬈薹蓑蠢嚣ｉ髫篙渊徽霎至萎言
的是为了获取热量。
生物质压缩技术可将固体农林废弃物压缩成 型，制成町替代煤炭的压块燃料，克服生物质能量 密度低的缺点“］。早在２０世纪３０年代，美国开始 设计螺旋式生物质压缩成型设备，同时，现代化的 活塞成型机在瑞典、德国得到推广；２０世纪５０年 代，日本人研制出了螺旋式生物质成型机，并逐步 推广到中国的台湾、泰国乃至欧洲和美国，２０世纪 ５０年代后，又相继产生了以油压为动力的生物质压 缩成型设备”］。 ２．２生物转换技术，通过微生物发酵方法制取液体 燃料或气体燃料 生物质经生物化学处理转化为富含能量的燃 料。如将生物质（农作物秸秆、粪便、有机废水等） 发酵制得沼气”“１，糖和淀粉原料发酵制酒精Ｅｓ］。 我国在这方面技术比较成熟。但这些技术对大规
・３】９・
４生物质快速裂解液化的影响因素
４．１温度对生物质热解产物的影响 温度是影响生物质热解规律的参数之一，它对 生物质热解规律起到＿ｒ主导性的作用。一般而言， 较低的温度有利于焦碳的形成，中温有利于液体产 物的生成，而高温则有利于气体产率的提高。 另外，升温速率一般对热解有正反两方面的影
降低而有利于焦碳的形成，从而导致了固体产物焦 碳的增加。厚度增加，气相挥发份在固相中的停留 时间延长而增加了二次裂解的可能，所以焦油量的 减小而气体量增加。 ４．４滞留时问的影响 滞留时间在生物质热解反应中有固相滞留时 间和气相滞留时问之分。固相滞留时问越短，热解 的固态产物所占的比例就越小，总的产物量越大， 热解越完全。给定的温度和升温速率的条件下，越 短固相滞留时间，反应的转化产物中的固相产物越 少，气相产物的量越大。气相滞留时间一般并不影 响生物质的一次裂解反应进程，而只影响到液态产 物中的生物油发生二次裂解反应的进程，当生物质 热解产物中的一次产物进入围绕生物质颗粒的气 相中，生物油就会发生进一步的裂化反应，在炽热 的反应器中。气相滞留时阃越长．生物油的二次裂 解发生的就越严重，二次裂解反应增多，放出Ｈ＝、 ＣＨ。、ＣＯ等，导致液态产物迅速减少，气体产物增 加。 ４．５压力的影响 随着压力的提高，生物质的活化能减小．且减 小的趋势减缓。加压和常压相比。加压下生物质的 热解速率有明显地提高，反应更激烈。另外．较高 的压力导致了较长的气相滞留时间，从而影响二次 裂解反应，最终影响热解产物产量分布。 热Ｉ
ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄ
ｆｌ
Ⅷ言
虽然石油、煤和天然气至今仍然是燃料和有机 化学原料的主要来源，但据科学预测，地球上可利 用的石油将在今后几十年内耗竭。从长远看液体燃 料短缺将是困扰人类发展的大问题。而生物质能 源由于污染少，其燃烧主要产物ＣＯｚ能被植物等固 定成有机物，是一种可再生能源。它具有其它能源 无与伦比的优势，但必须将其转化成适当的形式 （气体或者液体），以便更广泛的大规模应用。研究 开发利用生物质能这种可再生能源已经成为世界 各国的一项重要任务。
２．３化学转换技术，它包括一般化学处理转化和热 化学转化技术 生物质经化学处理转化为高价值的化工产品。 如利用生物质中的半纤维素在酸性介质下加热获 得重要的化工原料糠醛，利用稻壳生产白发黑【６３等。 生物质经热化学处理获得焦炭、燃料气或燃料油。 它根据氧化的程度可分为３种方式。ａ．完全氧化 获得热能。ｂ．部分氧化获得燃料气。ｃ．完全隔绝 氧化介质条件下热裂解．可获得最大限度的焦炭、 燃料气或燃料油［７∞。 在这些方法中，五种技术手段目前看来是最有 前途的：（１）直接燃烧生物质来产生热能、蒸汽或电 能；（２）利用能源作物生产液体燃料；（３）生产木炭 和炭（高温干馏）；（４）生物质（热解）气化后用于电 力生产，如集成式生物质气化器和喷气式蒸汽燃气 轮机（ＢＩＧ／ＳＴＩＧ）联合发电装置；（５）对农业废弃 物、粪便、污水或城市固体废物等进行厌氧消化，以 生产沼气和避免用错误的方法处置这些物质，以免 引起环境危害。特别是近年来发展的生物质的快 速裂解技术，由于具有液态产物得率高、加工速度 快等优点，倍受关注。