生物质热解能源——节能环保新途径

生物质是一种清洁的可再生能源，生物质快速热解技术是生物质利用的重要途径。作为有重要长远意义和战略意义的技术储备，寻求清洁的可再生能源及其利用技术，已成为全球有识之士的共识，受到各国*府和研究机构的广泛关注。 1 生物质热解技术 生物质热化学转化是在加热条件下，用化学手段将生物质转换成燃料物质的技术。通过生物质能转换技术可*效地利用生物质能源，生产各种清洁能源和化工产品，从而减少人类对于化石能源的依赖 减轻化石能源消费给环境造成的污染。目前，世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发*效、无污染的生物质能利用技术。以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。生物质热解是指生物质在没有氧化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有限氧的条件下，加热到逾 500 ℃，通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质 （固态碳、可燃气、生物油）。生物质热解的燃料能源转化率可达 95.5%。*大限度地将生物质能量转化为能源产品，物尽其用，而热解也是燃烧和气化必不可少的初始阶段。 发展可再生能源是新能源工业的重点，而生物质能的综合利用是大有可为的新兴能源产业。生物质热解技术是世界上生物质能研究的前沿技术之一。该技术能以连续的工艺和工厂化的生产质的易储存、易运输、能量密度高，且使用方便的代用液体燃料（生物油），其不仅可以直接用于现有锅炉和燃气透平等设备的燃烧，而且可通过进一步改进加工使液体燃料的品质接近于柴油或汽油等常规动力燃料的品质，此外还可以从中提取具有商业价值的化工产品。相比于常规的化石燃料，生物油因其所含的硫、氮等有害成分极其微小，可视为21世纪的绿色燃料。 2 生物质热解的工艺类型、热解原理及热解过程 生物质热裂解液化技术是生物质能源领域的前沿课题，目前已得到世界各国的广泛关注。生物质热裂解液化工业化技术难度很大，公认为是世界性难题。如厌氧投料、快速热裂解、热炭降温、气/固分离、烟气净化及重油挂壁等难题成为难以逾越的技术障碍。据了解，通过生物质热裂解液化技术，可将生物质转化为生物油、生物质炭和各种高附加值的化学品。其中，生物油的转化率约为24%，生物质炭的转化率约为36%。生物油是一种用途极其广泛的新型可再生清洁能源产品，加工后可用于锅炉、柴油机、涡轮机等。生物质炭疏松多孔、灰分低、含硫量低，有着良好的燃料特性，在冶金业可用做炼制钢铁的还原剂；通过深加工可制成橡胶行业炭黑替代品；制成活性炭后，可广泛应用于化工、医药、环保等领域;通过生物质热裂解液化技术提取的化学品也具有很高的附加值。 据热解条件和产物的不同，生物质热解工艺可以分为以下几种类型：一是烧炭。将薪炭放置在炭窑或烧炭炉中，通入少量空气进行热分解制取木炭，一个操作期一般需要几天。二是干馏。将木材原料在干馏釜中隔绝空气加热，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油和木炭等产品。三是热解液化。把林木废料及农副产品在缺氧的状况下中温（500~650℃）快速加热，然后迅速降温使其冷却为液态生物原*。 从化学反应的角度对其进行分析，生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反应，包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。木材、林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。热重分析结果表明，纤维素在 52℃时开始热解，随着温度的升高，热解反应速度加快，到 350~370 ℃时，分解为低分子产物。半纤维素分子结构上带有支链，是木材中*不稳定的组分，在 225~325℃分解，比纤维素更易热分解，其热解机理与纤维素相似。 从物质迁移、能量传递的角度对其进行分析，在生物质热解过程中、热量首先传递到颗粒表面、再由表面传到颗粒内部。热解过程由外至内逐层进行。生物质颗粒被加热的成分迅速裂解成木炭和挥发分。挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成。可冷凝气体经过快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。在多孔隙生物质颗粒内部的挥发分将进一步裂解，形成不可冷凝气体和热稳定的二次生物油。同时，当挥发分气体离开生物颗粒时、还将穿越周围的气相组分，在这里进一步裂化分解，称为二次裂解反应。生物质热解过程*终形成生物油、不可冷凝气体和生物质。 根据反应温度和加热速度的不同，生物质热解工艺可分为慢速、常规、快速或闪速几种。慢速裂解工艺己有几千年的历史，是一种以生成木炭为目的的炭化过程，低温和长期的慢速裂解可以得到 30%的焦炭∶低于 600℃的中等温度及中等反应速率的常规热裂解可制成相同比例的气体、液体和固体产品;快速热裂解大致在 10~200 ℃/s的升温速率，小于5s的气体停留时间;闪速热裂解相比于快速热裂解的反应条件更为严格，气体停留时间通常小于1s，升温速率要求大于103 ℃/s，并以 102-103℃/s 的冷却速率对产物进行快速冷却。生物质快速热解过程中，生物质原料在缺氧的条件下，被快速加热到较高反应温度，从而引发了大分子的分解，产生了小分子气体和可凝性挥发分以及少量焦炭产物。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体，称之为生物油或焦油。生物油为深棕色或深黑色，并具有刺激性的焦味。通过快速或闪速热裂解方式制得的生物油具有下列共同的物理特征∶高密度（约1 200 kg/m³）;酸性（pH为 2.8~3.8）;高水分含量以及较低的发热量（14~18.5 MJ/kg）。 3 农村开发利用生物质能实现可持续发展 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。根据各方面专家的研究分析，结合生物质能技术现状和农村地区的需求特点，具体目标为∶进一步提高禽畜粪便厌氧消化器的池容产气率，争取提高30%以上;提高沼气发电转化效率，沼气消耗量降低10%以上;研究沼气池商品化快速建造技术，推进市场化进程;研究秸秆干发酵沼气技术。提高和稳定产气率;研究秸秆中热值气化及相关技术。提高气化效率和应用范围;研究秸秆直接燃烧热利用技术及装置，拓展秸秆利用领域。 我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源，对建立可持续的能源系统。促进国民经济发展和环境保护意义重大。开发利用生物质能对中国农村更具特殊意义。中国80%人口生活在农村，秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加，但生物质能仍占有重要地位。农村开发利用生物质能实现可持续发展研发方向主要有下述方面∶秸秆干发酵及其配套技术研究，秸秆厌氧发酵及集中供气技术，提高秸秆发酵的转化效率，实现秸秆厌氧发酵转换技术的规模化和商品化。关键技术包括;好氧发酵与厌氧发酵工艺配合技术和干发酵*佳发酵条件;优良菌种筛选及*佳发酵条件;低含水量、高活力"保护剂"筛选和厌氧启动菌剂的保存技术;促进*菌快速繁殖的 "激*剂"技术等。

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