热解液化反应

生物质热解液化

生物质热解液化定义

生物质热解液化是生物质在完全缺氧或有限氧供给的情况下受热后讲解为液体产物以及一部分气体产物和固体产物的过程，影响生物质热解液化最重要的四个参数是：

10^4-10^5度/秒的加热速率，

500度左右的反应温度

不超过2s的气相滞留时间和生物油的快速冷凝与收集。

气体产量随着温度和气相滞留时间的延长而增加，反之较低的温度和较低的加热速率又会导致物料更易炭化，使固体生物质炭的产量增加，

三种热解产物的产率很大程度上由热解过程的工艺参数所决定，液体产物生物油的价值非常大，它通过精制可以成为柴油、汽油的替代物，也可以通过高压催化加氢或者利用沸石做催化剂处理成为高辛烷提升剂。

在最佳反应条件下，秸秆热解生物油的产率一般不低于50％，木屑热解生物油的产率一般不低于60％，生物油的热值均为16～17 MJ／kg，约为柴油热值的2/5。

生物质的热解已经有很长的历史，如古埃及人将热解得到的液体用作防腐剂，古希腊人和古罗马人将这种液体用于填充和连接木船上的细缝和接口，在石化工业发展以前，木材热解是得到化学物质如丙酮、乙酸和甲醇的主要渠道，随着20世纪70年代石油危机和新能源技术的发展，对生物质这一可再生能源的研究又重新得到了关注。

生物质能是唯一可再生的碳源，是一种清洁能源，是唯一可提供液体有机物（可作为燃料，精炼提质制成化工品等）的可再生能源，是其他新能源或可再生能源所不具有的优势[7-8]，另外，生物质与煤、石油内部结构和特性相似，可以采用相同或相近的技术进行处理和利用，与基于化石能源的现代工业和现代化生活具有最大的兼容性[9]。

生物质快速热解液化是生物质原料在无氧或缺氧的条件下，被快速加热到较高反应温度，使生物质中的有机高聚物分子迅速断裂为短链分子，产生小分子不可凝气体，可凝性挥发份及少量焦炭产物，可凝性挥发份被快速冷却为高品质液

体产物的技术。生物质转化为液体产物后，能量密度提高5倍以上[7]，而且过程中对生物质原料的适用性广泛，主要为农林生物质废弃物，例如秸秆、木屑、果壳等，避免了粮食和土地占用引起的问题，另外与采用生化方法液化生物质相比，热解液化生产过程在常压、中温下进行，具有工艺流程简单，反应速度快等优点，热解液体产物能量密度高，更易储存和运输，除可以直接燃烧提供动力能量外，还可通过进一步分离和精制制成燃料油和化工原料。热解副产物不凝性气体可以为热解液化设备运行提供能量，实现设备的“自供给”运行，生物质残炭可以加工成活性炭、或肥料改善土壤等用途，因此热解液化产物的经济性和应用领域都将远远大于固体生物质原料。

我国是一个农业大国，每年生产秸秆、林木加工废弃物等生物质将近9亿吨，其中，农作物秸秆在生物质总量中所占的比例最大，占近70%之多，综合考虑，可以能源化的总量将近4亿吨，相当于2.1亿吨油当量[10,11]。显然，如此巨量的能源如能充分加以利用，完全可以在很大程度上满足人类的能源需要[12]。然而对于大量的农作物秸秆，由于存在资源分散、能量密度低、收集、处理和运输成本都很高，不易储存，农业生产的季节性和工业生产的连续性缺乏有机结合等问题，使生物质利用很难形成规模化生产，造成严重的浪费和环境污染。目前生物质热解液化技术还处于示范性阶段，热解装置运行成本高，热解产物品质低，导致生物质基产品生产成本无法与化石能源相比。采用可移动的热解液化系统就可以先在生物质原料产地将其转化为高能量密度的液体燃料，然后再进行集中加工和精炼提质利用，则由于原料运输等原因引起的高处理成本将得到有利的缓解，并且热解液化系统运行所需能量基本能够自供给，从而大大提高装置的利用率和运行的经济性，具有广阔的发展前景。

反应器是热解液化系统中最核心的装置，目前研究最多的是流化床式热解反应器，主要包括鼓泡流化床、循环流化床、喷动流化床等，国外已经有工厂固定式商业化的生物质热解液化装置，但多是面向林木资源丰富集中的地区，主要原料为灰分含量较少的林业加工废弃物。这种反应器优点是结构简单、热解效率高、容易工业放大，但原料粒径要求太小，将大大增加原料预处理的难度和费用，流化气体循环系统需要配备专用的风机和管路，占用很大体积，运行过程中耗费很大能量，气体的引入不仅增加了预热和冷却所需的能耗，还稀释了不凝气体，使

之热值降低。而且流化床热解反应器一般都是竖直放置，工业放大将导致设备过高，不易装配在拖车上。

另一大类主要为机械运动式热解反应器[13]，其典型反应器为旋转锥反应器、双螺旋热解反应器、回转热解反应器等，这类反应器最大的特点是省掉了流化气体和相关配套装置，设备结构更加紧凑，整体装置运行耗能减少，热解产品品质得以提高。这些特征都很符合移动式车载热解液化系统的设计要求，目前，国外已经有移动热解液化的小型示范性装置，但还存在不能长期运行，生物质原料颗粒适应性差，热解效率低等不足，还需要很多方面的研究和设计。

生物质快速热解液化的典型流程

生物质热解液化系统的组成

快速热解系统主要包括原料干燥和研磨系统、原料加入系统、热解反应器、气固分离系统和接受系统等部分组成，其中核心部件为热解反应器。

原理预处理：包括干燥和粉碎，

而快速热解要求颗粒在反应过程中迅速升温，阏此颗粒粒径越小，越有利于颗粒的快速升温；此外，生物质颗粒表面受热后首先生成炭，炭的存在会阻碍热量向颗粒内部传递，这是使用小颗粒原料的另一个好处．但原料破碎越细．处理费用也就越高。不同反应器对原料粒径的要求有一定的差别．鼓泡流化床反应器要求颗粒粒径为2～3 mm；循环流化床反应器要求颗粒粒径1—2 mm；旋转锥反应器要求的颗粒粒径为2～3 mm；烧蚀式反应器适用的原料粒径可达2 cm：真空热解反应器适用的原料粒径高达2—5 cm。

生物质原料一般都含有一定量的水分．由于水分的气化潜热较大(2-3 MJ/kg)，对生物质颗粒的升温速率有很大影响，水分含量越高越不利于颗粒的快速升温，且水分受热蒸发后随着热解气义被冷凝到生物油巾，为了控制生物油的水分含量并考虑到原料的干燥成本，一般要求热解原料水分含量为5％一10％。