生物质组分热解气化特性研究现状

生物质组分热解气化特性研究现状

摘要：为了提升生物质气化气热值，减少焦油产率，越来越多的研究者开始试图从生物质组分的角度对热解气化

特性进行探索.概述了碱金属、温度、压力、升温速率在热解气化过程中对生物质组分造成的影响，以及纤维素、半纤维素、木质素、萃取物和组分间相互作用对生物质热解气化过程造成的影响.提出了在二组分相互作用研究的基础上，应继续开展三组分相互作用的实验研究，以及生物质模化物和生物质原料化学结构差异对生物质原料热解气化特性的影响.此外，提出了采用单变量对照实验方法研究单变量的作用大小.

关键词：三组分；萃取物；相互作用

中图分类号：TK 6 文献标志码： A

Abstract：In order to improve the heating value of the gaseous product and decrease the yield of tar from the pyrolysis and gasification of biomass，the pyrolysis and gasification characteristics of biomass components are investigated widely.The effects of the alkali，temperature，pressure，and heating rate on the pyrolysis and gasification are summarized.The effects of cellulose，hemicellulose，lignin and

the interactions between them on the gasification and pyrolysis are also discussed.Besides those，the effects of the interactions among three components，the difference among the biomass model compounds，and the chemical structure of the biomass on the gasification characteristics require some further investigations on the foundation of the two components experiments.At last，the single variable controlled experiments are proposed to study the effect of the single factor.

Key words：three component；extract；interaction

生物质气化和热解是将生物质能源转换为高品位气体

燃料时使用的一种有效利用生物质能源的方式之一[1].但其

也存在着诸多问题，以生物质气化为例，主要有气化气低热值以及焦油等问题.气化气热值过低导致气化气成本上升，阻碍了气化技术的推广.提高热值的传统方法包括提高气化温

度和当量比（ER）、加入催化剂、改变物料特性[2].焦油对气化过程以及相关的设备和实验人员造成很大危害.去除焦油

的传统方法包括催化裂解、烘培、低温慢速热解处理等.催化裂解主要是在气化过程中加入镍基催化剂、白云石等，催化剂抑制焦油生成或使已生成的焦油再分解[3].此外，提高温度、改变ER也可促进焦油的分解.

近年来越来越多的研究者试图从生物质原料角度找出

提高气化气热值和去除焦油的方法，主要是从纤维素、半纤

维素和木质素的角度去探索思考，包括各种因素对生物质组分的影响和组分对生物质热解气化特性的影响.本文将对这

一领域的研究进展作一综述，指出现有研究中存在的一些问题，并提出改进建议.

1 影响生物质三组分热解气化的因素1.1 无机物

无机物主要包括碱金属、碱土金属和过渡金属等.通常情况下，加入碱金属能促进轻质气体和焦炭产生，并促进焦油分解，减少焦油含量，但是不同的金属离子表现出的催化作用不同.K+、Na+、Ca+、Mg2+对纤维素和半纤维素热解的催化作用较相似.K+的催化作用最强，可促进轻质气体和焦炭的形成[4-5]；Ca2+和Mg2+对焦炭的生成影响较大，但Ca2+、Mg2+对气体产量影响不大[6].而钾盐的加入量较大时，会阻碍挥发分的析出，对生物质热解有一定的阻碍作用[7].武宏香等[8]认为碱金属能降低纤维素的活化能，降低气体中CO、C2H4、C2H6含量，提高CO2和CH4含量，CH3COOK、

CH3COONa的催化能力大于KCI、NaCI，KCI、NaCI阻碍了H2的生成，而CH3COOK、CH3COONa促进了H2的生成.对木质素的研究发现：低温时碱金属盐对木质素的热解没有明显影响；高温时碳酸钾和碳酸钠的添加使得木质素的热解速率明显高于添加KCl和未添加碱金属盐时的情况[9].

1.2 热解速率

纤维素在慢速热解时生成少量的液体和气体产物，由于

反应时间较长，纤维素的脱水和炭化反应得以充分进行，从而产生了大量的碳[10].在快速热解时纤维素热解主要生成了乙醛、甲醇、呋喃、乙酸等.闪速热解时，纤维素热解可完全反应得到石蜡以及其它碳氢化合物.胡亿明[11]在常压下考察升温速率对纤维素热解的影响时发现，升温速率上升能提高热解速率.木质素在慢速热解时主要分为水分挥发、支链断裂重组和芳香缩聚三个过程[12].当温度高于585℃时，苯环周围的化学键断裂重组形成了脂肪族官能团；当温度上升到780℃时，苯环断裂形成碳.

1.3 压力、温度与载气流量

胡亿明[11]在升温速率为20 K ? min-1时研究了不同压力下纤维素的热解状况，结果发现，热解残渣随着压力的增大，挥发分提前析出，热失重速率增加，而焦油由于受压力抑制，不易挥发成焦油蒸气，焦炭产率上升.压力对热解的影响和升温速率对热解的影响相反. [22] 彭云云，武书彬.麦草半纤维素的快速热裂解实验研究[J].燃料化学学报，2011，39（1）：21-25.

[23] 彭云云，武书彬.TG FTIR 联用研究半纤维素的热裂解特性[J].化工进展，2009，28（8）：1478-1484.

[24] PENG Y Y，WU S B.The structural and thermal characteristics of wheat straw hemicellulose[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2010，88（2）：134-139.