生物质液化燃油的可利用性及转化技术

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2004 年 7 月
农机化研究
第4期
生物质液化燃油的可利用性及转化技术
蔡继业,蔡忆昔
(江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)
[摘 要] 随 着 我 国 经 济 的 飞 速 发 展 ,特 别 是汽 车 工 业 的 发 展 ,石 油 资 源 的 短 缺 逐 渐 成 为 制 约 经 济 持 续 发
展的瓶颈。积极探索能够替代石油的能源及其生产技术必将具有深远的意义。我国地域辽阔,生物质资源
丰富,但是其利用率却很低。为此,提出了生物质转化技术—热解的改进方法,其关键点在于能有效地从
生物质中提炼出特性较好的生物质油,产物经适当处理后可作为内燃机燃料。
[关键词] 一次能源;生物质油;综述;石油;内燃机
[中图分类号] TK6;TK46+4 [文献标识码] A
[文章编号] 1003─188X(2004)04─0221─04
1 石油资源跟不上经济发展的步伐
1.1 石油是现代工业社会的血液 人口、资源、环境是决定一个国家能否可持续
发展的长期制约因素,而作为现代社会经济发展基 本动力之一的能源,特别是石油这种被称之为现代 工 业 血 液 的 液 体 能 源 ,与 这 3 个 因 素 密 切 相 关 。1973 年,世界首次石油危机已使人们深刻认识到石油短 缺是影响一个国家政治、经济和可持续发展的重要 因素。于是从那时起,各国便开始积极探索能够替 代石油的能源及其生产技术,以期尽早解决不可避 免的石油短缺问题。 1.2 全球石油资源消耗殆尽已为期不远
根据联合国 1989 年进行的调查,若按当时的 石油消费水平计算,世界的石油储量只能维持到 2035 年 ,天 然 气 可 利 用 的 时 限 稍 长 一 些 ,但 也 只 能 利用 67 年。也就是说,到 21 世纪中叶,天然气资 源也将消耗殆尽。 1.3 我国石油供应难以保障
我国人均占有可开采石油资源十分贫乏,大约 只有世界平均水平的 12%。改革开放以来,国家经 济建设发展速度非常快,对石油需求的增长越来越 迫 切 ,特 别 是 机 动 车 的 数 量 正 以 每 年 15%~ 20%的 速 度 递 增 。1993 年 ,我 国 已 由 石 油 净 出 口 国 变 成 净 进 口国。受资源及生产力双重制约,我国石油年自给 能 力 约 为 1.3 亿 ~ 1.5 亿 t,但 是 目 前 石 油 年 消 费 量 却超过 2 亿 t。今后几年,我国石油年消耗量将会 猛增。我国石油年消耗量如图 1 所示。
根据我国“十五”乃至今后国民经济发展对石 油资源的需求,预计到 2006 年和 2010 年,我国石
油需求量将分别达到 25700 万 t 和 31200 万 t。可 见,确保液体能源供给已成为保障我国可持续发展 的重大课题。
30000 25000
石油年消耗量/万 t
20000
15000
10000
5000
0 1970
1980
1990 年份
2000
2010
图 1 我国石油年消耗量
Fig.1 Petroleum consumption p.a.in China
2 生物质能是充满希望的“绿色能源”
2.1 什么是生物质能 生物质能来源于生物质。所谓生物质就是在有
机物中除矿物燃料外,所有来源于植物、动物和微 生物的可再生的物质。动物要以植物为生,而植物 通过光合作用把太阳能转化成生物质的化学能。因 此,一切生物质能都是来源于太阳能[1,2]。 2.2 生物质的可利用性
地球上的生物质资源极为丰富,是一种无害的 能源。据估计,地球每年经光合作用所产生的干物 质 有 1730 亿 t,它 所 拥 有 的 能 量 相 当 于 全 世 界 能 源 总消耗量的 10~20 倍。但其目前的利用率相当低, 只 有 3%左 右 。有 资 料 显 示 ,生 物 质 能 仅 占 世 界 能 源 消耗量的 14%,相当于 12.57 亿 t 石油。世界上生 物质能资源种类繁多,主要有农作物和农业有机残
[收稿日期] 2003-09-15 [作 者 简 介 ] 蔡 继 业 ( 1979-), 男 , 湖 南 长 沙 人 , 在 读 硕 士 , 主 要 从 事 内 燃 机 代 用 燃 料 方 面 的 研 究 工 作 。
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农机化研究
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余物、林木和森林工业残余物,还有动物排泄物、 江河和湖泊的沉积物以及农副产品加工后的有机 物、废水、城市生活垃圾等。此外,藻类、水生植 物和可以进行光合作用的微生物等也是可以开发利 用的生物质能资源。
据统计,我国各种农作物秸秆年产量为 5.6t, 约相当于 2 亿 t 油当量。其中,水稻、玉米和小麦 秸 秆 约 1.77 亿 t 油 当 量 ,占 秸 秆 总 产 量 的 84.3%左 右。我国薪柴的年产量约为 1.2 亿 t,即 520 万 t 油 当 量 。而 禽 畜 粪 便 的 年 产 量 约 为 2.55 亿 t 干 物 质 , 相 当 于 8800 万 t 油 当 量 。城 市 有 机 垃 圾 的 年 资 源 量 在 920 万 t 油当量左右,基本未加以回收利用。忽 略某些小的生物质能资源,如工业废水和废渣等, 仅农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便和生活垃圾 4 项, 我 国 生 物 质 能 资 源 可 开 发 量 相 当 巨 大 ,约 4.37 亿 t 油当量。我国生物质资源的构成如图 2 所示。
47%
12%
农作物秸秆
薪柴
禽类粪便
20%
城市垃圾
21%
图 2 我国生物质资源的构成
Fig.2 Configuration of biomass resources in China
从图 2 中可以看出,农作物秸秆是我国最大的 生 物 质 能 资 源 ,将 近 占 到 整 个 生 物 质 能 资 源 的 50%。 这 是 一 个 巨 大 的 数 目 [3,4,5]。 2.3 生物质能的转化
生物质能的转化通过两种途径:化学分解和生 物消化。生物消化包括细菌分解和发酵,它可以生 成甲烷、乙烷基物质、酒精和一氧化碳等。但是, 以 这 种 方 式 分 解 生 物 质 能 价 格 比 较 昂 贵 。相 比 之 下 , 高温分解有广阔的应用前景。
所谓高温分解,是将有机质转化成有用燃油的 一种热化学过程。这是一种生物质能转化的高效率 的过程。这种方法制取的油相对非再生的石油燃油 来讲,也具有竞争力,并有最终代替石油燃油的趋 势 。高 温 分 解 是 在 缺 氧 或 稀 氧 的 条 件 下 对 有 机 质( 木 素 纤 维 物 质 )进 行 高 温 加 热 。该 过 程 能 够 产 生 木 炭 、 可 压 缩 的 有 机 液 体 ( 裂 解 燃 油 )、 不 可 压 缩 的 气 体 、 乙酸、丙酮和甲醇。该过程可以调整,使得木炭、 裂解油、气体和甲醇产物对原料的比例为 95.5%。 生物质能量的 68%包含在木炭和燃油里。这种木炭 具有煤的热值,而且不含硫,不会污染空气,所得 裂 解 油 热 值 大 概 18~ 21MJ/L。在 燃 烧 时 没 有 灰 和 硫
化物产生,这种产物不会使大气增加二氧化碳含量。 典 型 的 热 裂 解 系 统 每 处 理 1000kg 生 物 质 ,一 般 可 生 产 200 ~ 250m3 可 燃 气 、 250 ~ 600kg 炭 粉 和 200∼300kg 生 物 油 。控 制 不 同 的 反 应 条 件 ,如 温 度 、 原料、压力、滞留时间等,可实现改变 3 种产物的 比例。在合适的反应条件下,可以尽可能获得最大 比例的生物油。而所得的生物油经过加氢、催化加 工等,可使其热值达到普通轻油的水平,并有更好 的稳定性,用作内燃机的工作燃油完全不成问题。
3 生物质燃油的制取
3.1 生物质直接液化技术的关键 物质直接液化技术的关键是生物质的升温速
度 要 高 达 103°~ 104℃ /s, 以 及 相 应 的 超 短 接 触 时 间反应、快速反应终止技术等可控的裂解条件。这 个 超 短 接 触 时 间 约 为 0.1~ 0.5s。在 600℃ 左 右 断 裂 生物质中的大分子键,将分子量为几十万到数百万 的生物质直接裂解为分子量从几十到 1000 左右的 小分子液体产物。产物的组成中 99.7%以上为碳、 氢、氧,含有数百种的多环化合物,基本不含硫及 灰分等对环境有污染的物质。所得液态产物的粘度 较 小 ,在 40℃ 下 为 40cp,具 有 很 好 的 流 动 性 ,在 不 与空气接触的条件下可稳定地存放数星期。液态产 物 中 含 氧 量 可 达 20%~ 30%,可 溶 于 水 、丙 酮 等 极 性 溶剂,但不溶于矿物油,深度加工后可直接作为内 燃 机 工 作 燃 料 [6, 7, 8, 9]。 3.2 生物质液化工艺流程
生物质的液化大概经过破碎、干燥、粉碎、热 解 、分 离 、冷 凝 等 一 系 列 过 程 ,流 程 图 如 图 3 所 示 。
碾碎
原料
干燥 粉碎 反应器
不 凝 气

分 离
凝 器

生 物 油
图 3 生物质液化工艺流程
Fig.3 Technical process of biomass’ liquefaction
(1) 干燥。为减少最终产物—生物原油的含水 量,必须对原料进行干燥处理。一般将原料的含水 量控制在 15%以下。
(2) 粉 碎 。为 提 高 加 热 速 率 ,获 得 高 的 产 油 率 ,
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原料的进一步粉碎和细化是十分必要的。该工艺一 般要求粉碎粒度≤2mm。
(3) 热解。将原料送入特制的反应器中进行高 速热解气化。该工艺的技术关键在于原料在 600℃ 左右的特制反应器中,以很短的滞留时间、极快的 加热和热传导速率下迅速转变成热解蒸气。
(4) 分离。热解蒸汽含有一定量的炭和灰分, 由于碳在热解蒸气的二次裂解中起催化作用,并在 生物原油中产生不稳定因素,而灰分是不需要的成 分,因此从热解反应器引出的热解蒸气必须快速、 彻底地予以分离。
(5) 冷凝。为防止二次裂解、增加不凝气的比 例、提高油的得率,对分离后的热解蒸气进行快速 冷 却 [5]。
图 4 所 示 装 置 是 Lynn 研 制 出 来 的 ,它 基 本 上 就 是图 3 所示工艺流程的直观的描述。由于高温裂解 炉这一关键设备只是简单地被加热,不能很好地满 足生物质裂解所必需的条件,其直接后果是导致产 油率降低、不凝气所占比重增大。但由于它结构简 单、造价低,可用于实验室制取生物质样油。
的大分子键,其液态产物收率可高达 70%~80%。 HTP(Hydro Thermal Upgrading)法是一种适用于湿 生物质的液化转化工艺。其流程为:将湿木片溶于 装 水 的 高 压 容 器 中 软 化 成 糊 状 (200℃ , 300bar,15min),然后送入下一反应器液化(330℃, 200bar,5~15min)。经脱羧处理并移去 O2,可获得 50%的生物原油(含氧量 10%~15%)、20%的 CO2。该 技术可获优质生物油,经一定的催化工艺还可获高 质量的汽油和粗汽油。熔盐加热真空热解液化法是 加拿大采用的一种新的热解液化工艺。较冷物料在 一定真空度下进入反应器内后,落在有搅拌功能的 加 热 盘 上 。加 热 盘 下 方 是 内 有 炽 热 熔 盐 流 动 的 管 道 , 热解气从反应器上方的出口导出,送入冷凝装置得 生物燃油。
国内曾有人提出转锥式反应器。在此基础上改 进后的离心式反应器,能满足生物质直接液化技术 的两个关键点,能完成“热解蒸气+炭/灰分离”两 个 过 程 ,可 望 应 用 于 生 产 。其 工 作 原 理 如 图 5 所 示 。
通往冷凝器 的热解蒸气
裂解气
不凝气处 理装置
热解蒸气
生物质 干燥






不凝气 生物油
图 4 Lynn 裂解制油示意图
Fig. 4 Sketch map of attain pyrolytic fuel oil by Lynn
3.3 生物质液化技术的关键设备 生物质直接液化技术的关键有两个:一是生物
质的升温速度要高于 100℃/s;二是要在超短的接 触时间内反应,反应完要能快速终止升温。
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