[科普中国]-生物质热解技术

简介

生物质热解是指在隔绝空气或供给少量空气的条件下，通过热化学转换，将生物质转变成为木炭、液体和气体等低分子物质的过程。热解的产物包括燃料油、木焦油、木煤气、木炭等，如果升温速率为1000℃/s以上时，热解油的产率可以达到60%以上。控制热解中相应的条件（主要是反应温度、升温速率、停留时间）参数，可以得到不同的热解产品。生物质热解技术能够以较低的成本、连续化生产工艺，将常规方法难以处理的低能量密度的生物质转化为高能量密度的气、液、固产物，减少了生物质的体积，便于储存和运输。同时还能从生物油中提取高附加值的化学品。1

类型生物质热裂解根据热解条件有以下三种类型1：

（1）慢速热解（烧炭法）

主要用于木炭的烧制，生物质在极低升温速率，温度低于400℃下长时间（几小时~几天）热解，可得到最大限度的焦炭产率为35%（质量分数），这个过程也称为生物质的炭化。

（2）常规热解

将生物质原料放入常规热解装置中，在低于500℃、较低加热速率（10~100K/min）、热解产物停留时间0.5~5s下热解，可制成相同比例的气体、液体和固体产品（可得到原料重量20%~25%的生物炭、10%~20%生物油）。

（3）快速热解

快速热解是将磨细的生物质原料放入快速热解装置中，生物质在常压、超高加热速率（1000~10000K/s）、超短产物停留时间（0.5~2s）、适中热解温度（500~650℃）下瞬间气化，然后快速凝结成液体，可获得最大限度的液体产率，其产物中的生物油一般可以达到原料重量的40%~60%，快速热解过程需要的热量以热解产生的部分气体为热源。1

热解工艺热裂解液化的一般工艺流程包括原料的预处理、热解以及热解产物的分离与收集。预处理包括干燥和粉碎。干燥生物质能有效降低生物质热解产物中水分含量，一般含水量（质量分数）应控制在10%以下，从而改善生物油的粘度、pH值、稳定性和存储期。粉碎到合适的粒度有利于热质传递和热解产物的形成。此外，预处理阶段还可能需要进行清洗或添加催化剂，以达到生产某些特定化学品的目的。热解液化技术的关键在于要有很高的加热速率和热传递速率，短的气体停留时间，严格控制温度以及热解挥发份的快速冷却。只有满足这样的要求，才能最大限度地提高产物中油的比例。热解产物的分离与收集包括气相中焦炭灰分的分离和焦油的分离收集。生物质在热解过程中会产生一些小颗粒的焦炭，并且几乎所有的生物质中的灰分都留在了产物炭中。所以分离焦炭的同时也分离了灰分。这些小颗粒的焦炭和灰分会在热解蒸汽的二次热解中起到催化作用，并对生物油的稳定产生不利影响，因此，应采用过滤设备对气相中的焦炭进行分离。生物油的收集主要利用冷凝器快速冷凝来实现。1

热解产物的利用生物质热裂解产物主要有生物油、不可冷凝气体及木炭组成。生物油主要用在燃烧供热、电力生产、燃料油及化学品的生产。尽管生物油的热值仅为化石燃料油的一半左右，而且大量的水分含量使其应用难度增加，但液体产品应用在燃烧方面的优点是易于处理、运输和储存，也有利于现有燃油装置的利用。生物油应用于燃烧的主要问题是生物质油的粘度大，易变质。生产液体产品的优点是这种液体产品的生产可以与电力生产相分开，因此用热解装置建立调峰电站是可行的，或将液体产品直接送到中心电站发电。生物油中含有许多化工原料和产品，热解的液体产品已经确认的物质有数百种，因此人们回收其中的化合物或同系化合物的兴趣大增，某些特定的化合物即使回收量很少，其潜在的价值也比回收油的价值高很多。总之，生物油作为燃料在锅炉、汽轮机、柴油机上的应用实验比较成功，其精炼提纯、提取化学物质的研究上尚不成熟，不具有经济可行性。1