[科普中国]-常规热裂解工艺

热解是生物质在完全缺氧或有限供氧的情况下利用热能切断生物质大分子的化学键，使之转变为低分子液体生物油、可燃气体（氢气、甲烷、一氧化碳混合气体）和固体炭3个组分的过程。热解后的燃料与生物质原料相比，具有能量密度高、易贮运等优点。常规热裂解是指在较慢升温速率下发生的热裂解，以热解的固体、液体以及气体产物为主。

简介针对我国农作物资源分布特点，选取棉杆作为实验原料，通过元素、工业分析以及热重分析方法对棉杆的物理化学特性进行了剖析，通过热重分析将生物质热裂解分为三个主要阶段，即干燥预热阶段、炭化阶段以及煅烧阶段，其中炭化阶段的失重率高达50.01%，在340℃时有最大失重速率54.99%/℃；煅烧阶段主要发生在400℃之后。由此得出了生物质常规热裂解的主要研究操作条件热解终温、加热速率、载气流率和粒径的范围。1

装置及条件常用的热裂解装置固定床、流化床、移动床、旋转炉、旋转锥反应器。

热裂解条件热解温度、加热速率、载气流率、原料粒径、停留时间等。

主要产物焦炭是生物质热裂解的固体产物，含有不同比例的灰分无机物质、未转化完全的有机物质以及热分解反应后的残余炭。焦油是生物质热解后的液体产物，它是复杂的有机物与水的酸性混合物，通常包含酸类、醇类、醛类、脂类、酮类、酚类衍生物等。热解气体产物主要包括CO2、CO、CH4、H2、H2O等。

相关概念快速热裂解以及闪速热裂解指在较高的升温速率条件下的热裂解过程，主要以液体产物为主，通常液体产物的产率高达60-75%。不同热解过程的参数如右图所示。

常规热裂解实验（1）称取一定粒径的黄栌生物质约5g放入石英管中部的石英舟中，将冰水混合物放入冷凝系统，下水瓶中充满水，并保持U型管两液面持平，按图2.1连接好实验装置，向其中吹入大流量的N2吹扫空气，形成无氧环境并进行气密性检查。

（2）在温控仪上设置好所需的热解终温和加热速率，加热管式炉进行热裂解，并通过减压阀与流量计控制N2流率。

（3）当温度到达200℃时将下水瓶塞上的气体流出管用夹子夹住，控制下端放水管的控制阀用排水法收集热解气，并始终保持U型管的两液面水平。

（4）当温度到达所设置的热解终温后继续保温30min，并继续通入同流量的N2。

（5）实验结束时先关闭温控仪及管式炉加热装置，然后关闭N2瓶，并将系统中残余的N2排出。

（6）计算排水量，利用向下水瓶中通入水的方法将瓶中的热解气鼓入已用真空泵抽真空的气囊中，并密封保存以进行GC分析确定其成分，结合排水体积和流入的N2总体积确定气体产率。管式炉冷却后将石英舟取出并称重得到固体热解炭的产率，并放入密封袋中保存。取下液体收集瓶并保存，液体生物油的产率通过差减法获得，即原生物质总量减去固体和气体产率之和。这里的生物油是指全部液态产物，包括所产焦油和水的混合物，焦油即粘性油质体，水分主要来自生物质内的结合水以及热解过程中产生的水。

（7）更换冷凝水，同样按照上述方法，进行不同热解终温、加热速率、N2流率和粒径以及不同生物质原料的热裂解实验，并分别收集产物。2

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学