生物质热化学液化研究现状

生物质热化学液化研究现状

刘孝碧

中国农业大学工学院，北京，100083

Email:xiaobi_2002@

摘要：随着化石能源的枯竭和人类对全球性环境问题的关注，生物质资源以其可再生、资源丰富、分布广泛、CO2 零排放等优点日益成为国内外众多学者研究的热点。物质热化学转化方式可分为气化、热解液化和直接液化。生物质直接液化又可分为超临界萃取、高压液化和HTU（Hydro thermal upgrading process）液化。本文将综述近年来国内外生物质热化学液化技术的最近进展。

关键词：生物质；热解；气化；液化

0引言

生物质是地球上数量最丰富的可再生性资源。全球每年光合作用的产物高达1500-2000 亿吨[1]。生物质能源主要包括农作物秸秆及副产品、林业作物、水生植物及城市固体废弃物。目前这些生物质能源还没有得到很好的开发，有些甚至还造成严重的环境污染, 如秸秆就地焚烧、农产品加工业排放废物、城市丢弃有机垃圾等。仅我国每年的各种农林废弃物就有近十亿吨, 工业纤维性废渣数千万吨。从我国国情来看，一方面我国缺油少气，能源资源人均拥有量只有世界人均拥有量的十分之一，能源形势十分严峻[2]。另一方面可再生生物质资源特别是农作物秸秆却大量闲置浪费，甚至造成社会、环境问题。因此，从保护生态环境、人类资源出发，开发高效的生物质转化技术，生产可降解的高分子材料及燃料有着重大社会生态意义。

生物质转化工艺主要可分为四大类，分别为直接燃烧、热化学转化、生物化学法和农业化学法[3]。生物质热化学转化技术是一种很有前途的技术，通过热化学转化过程，可将生物质最大限度地转化为液体燃料也可作为化工原料，产品的能量密度高、附加值大、储运方便。热化学转化可分为气化、裂解液化和直接液化，我们将裂解液化和直接液化所得的液相产物成为生物原油。生物原油还需要进一步精炼，才能作为燃料油使用，因此成本提高，使其无法与石油竞争。但随着化石能源的耗竭，以及科学技术的进步，生物质液化技术的日趋成熟，生物原油作为液体燃料和化工原料将有着广阔的市场。

1生物质热化学液化研究进展

1.1气化

生物质气化技术形式多样，目前主要有沼气发酵技术和热解技术。这里我们主要介绍一下热解技术。生物质气化技术，是生物质原料在缺氧状态下燃烧和还原反应的能量转换过程，它可以将固体生物质原料转换成为使用方便而且清洁的可燃气体。生物质由碳、氢、氧等元素和灰分组成。当它们被点燃，只供应少量空气，并且控制其反应过程，使碳、氢元素变成由一氧化碳、氢气、甲烷等组成的可燃气体，秸秆中大部分能量都转移到气体中，这就是气

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化过程。中国从事生物质气化技术研究的队伍主要有：山东省科学院能源研究所、中国科学院广州能源研究所及中国林科院化工研究所。生物质的气化过程可归纳为以下三个反应[4]：

CO dH = －268 MJ/kg mole

部分氧化： C+1/2O

完全氧化： C+ O

CO + H2 dH = +118 MJ/kg mole

和直接燃烧不同，气化产物一氧化碳，氢气和水蒸气还可以继续反应：

O CO2 + H2dH = －42 MJ/kg mole

水蒸气转换反应：CO+ H

CH4 + H2O dH = －88 MJ/kg mole

生成甲烷：CO+ H

生物质气化技术主要用于气化发电、气化集中供气和生物质制氢。第一台上吸式气化炉1839问世，70年代，由于能源危机，各国争相发展生物质热解技术。80年代以来，能源、环境问题促使进一步发展气化技术[5]。

秸秆生物质气化与集中供气自“六五”以来, 我国也开展了生物质气化技术的研究工作, 并取得了一系列卓有成效的研究成果[6]，特别是山东省科学院能源研究所研制开发的秸秆生物质气化集中供气系统,在农村具有广泛前景。其气化工艺流程为: 秸秆自然风干至含水率20% 以下, 经榨草机处理成长度为15～ 20mm, 由加料斗加入气化炉内, 经热解, 氧化和还原反应, 转换为可燃气体。燃气送入燃气净化器, 除去其中的灰尘和焦油, 冷却到常温, 然后经罗茨鼓风机加压送入燃气输配系统并送至用户[7]。

生物质制氢也是一种很有前景的开发方式，国外在这方面进行了较多的研究。S.Turn[8]在富氧条件下研究了生物质水蒸气气化反应，在他们的操作条件下，单位生物质产氢量达60 g/kg。中国科学院的赵先国等[9]人在常压流化床上进行了生物质在富氧条件下定向气化的实验，在实验研究范围内发现增大氧气体积分数可以提高H2体积分数及有利于调节H2/CO（体积分数）的比值。当氧气体积分数从21%增加到45%时，H2体积分数从20%增加到27.7%。另外利用在超临界水中进行生物质气化，气化率的达到100%。气体产物中H2的体积百分含量甚至可超过50%，反应不生成焦油、木炭等副产品。对于含水量高的生物质可直接气化，不需要高能耗的干燥过程。1974年，HNEI[10]首次提出利用生物质的蒸汽重整作为产氢来源，经过近10年的研究，将其重点放在超临界水气化上，并取得一系列有价值的结果。我国对生物质的超临界水催化气化研究起步较晚。至1997年起，西安交通大学开始对超临界水催化气化制氢进行了理论和实验研究，目前已建成连续管流式超临界水气化与制氢的实验装置[11]。

1.2热解液化

热解是在无氧或缺氧条件下，利用热能切断生物质大分子中的化学键，使之转变为低分子物质的过程。热解中生物质中的碳氢化合物都可转化为能源形式。和焚烧相比，热解温度相对较低，处理装置较小，便于造在原料产地附近。生物废弃物的热解是复杂的化学过程，包含分子键断裂，异构化和小分子的聚合等反应。通过控制反应条件（主要是加热速率，反应气氛，最终温度和反应时间），可得不同的产物分布。据试验，中等温度（500~600℃）下的快速热解有利与生产液体产品，其收率可达80％。热解中产生的少量中热值气体可用作系统内部的热源，气体中氮氧化合物的浓度很低，无污染问题。

山东清洁能源中心对国外利用生物质热解生产生物油的装置进行了介绍[12]。国外热解

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