社會其它相關論文-生物質(zhì)熱解研究現(xiàn)狀與展望.doc

社會其它相關論文-生物質(zhì)熱解研究現(xiàn)狀與展望摘要：主要論述了生物質(zhì)熱解技術的原理、熱解反應過程、熱解工藝類型及影響因素。在分析國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，提出生物質(zhì)熱解技術主要存在的不足，對生物質(zhì)熱解技術的發(fā)展前景進行了展望。關鍵詞：生物質(zhì)熱解；研究進展；發(fā)展現(xiàn)狀；展望0引言通過生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術可高效地利用生物質(zhì)能源，生產(chǎn)各種清潔能源和化工產(chǎn)品，從而減少人類對于化石能源的依賴，減輕化石能源消費給環(huán)境造成的污染。目前，世界各國尤其是發(fā)達國家，都在致力于開發(fā)高效、無污染的生物質(zhì)能利用技術，以保護本國的礦物能源資源，為實現(xiàn)國家經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供根本保障。生物質(zhì)熱解是指生物質(zhì)在沒有氧化劑（空氣、氧氣、水蒸氣等）存在或只提供有限氧的條件下，加熱到逾500，通過熱化學反應將生物質(zhì)大分子物質(zhì)（木質(zhì)素、纖維素和半纖維素）分解成較小分子的燃料物質(zhì)（固態(tài)炭、可燃氣、生物油）的熱化學轉(zhuǎn)化技術方法。生物質(zhì)熱解的燃料能源轉(zhuǎn)化率可達95.5%，最大限度的將生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品，物盡其用，而熱解也是燃燒和氣化必不可少的初始階段1。1熱解技術原理1.1熱解原理從化學反應的角度對其進行分析，生物質(zhì)在熱解過程中發(fā)生了復雜的熱化學反應，包括分子鍵斷裂、異構(gòu)化和小分子聚合等反應。木材、林業(yè)廢棄物和農(nóng)作物廢棄物等的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。熱重分析結(jié)果表明，纖維素在52時開始熱解，隨著溫度的升高，熱解反應速度加快，到350370時，分解為低分子產(chǎn)物，其熱解過程為：(C6H10O5)nnC6H10O5C6H10O5H2O+2CH3-CO-CHOCH3-CO-CHO+H2CH3-CO-CH2OHCH3-CO-CH2OH+H2CH3-CHOH-CH2+H2O半纖維素結(jié)構(gòu)上帶有支鏈，是木材中最不穩(wěn)定的組分，在225325分解，比纖維素更易熱分解，其熱解機理與纖維素相似2。從物質(zhì)遷移、能量傳遞的角度對其進行分析，在生物質(zhì)熱解過程中，熱量首先傳遞到顆粒表面，再由表面?zhèn)鞯筋w粒內(nèi)部。熱解過程由外至內(nèi)逐層進行，生物質(zhì)顆粒被加熱的成分迅速裂解成木炭和揮發(fā)分。其中，揮發(fā)分由可冷凝氣體和不可冷凝氣體組成，可冷凝氣體經(jīng)過快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反應生成生物質(zhì)炭、一次生物油和不可冷凝氣體。在多孔隙生物質(zhì)顆粒內(nèi)部的揮發(fā)分將進一步裂解，形成不可冷凝氣體和熱穩(wěn)定的二次生物油。同時，當揮發(fā)分氣體離開生物顆粒時，還將穿越周圍的氣相組分，在這里進一步裂化分解，稱為二次裂解反應。生物質(zhì)熱解過程最終形成生物油、不可冷凝氣體和生物質(zhì)3，4。1.2熱解反應基本過程根據(jù)熱解過程的溫度變化和生成產(chǎn)物的情況等，可以分為干燥階段、預熱解階段、固體分解階段和煅燒階段。1.2.1干燥階段（溫度為120150），生物質(zhì)中的水分進行蒸發(fā)，物料的化學組成幾乎不變。1.2.2預熱解階段（溫度為150275），物料的熱反應比較明顯，化學組成開始變化，生物質(zhì)中的不穩(wěn)定成分如半纖維素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物質(zhì)。上述兩個階段均為吸熱反應階段。1.2.3固體分解階段（溫度為275475），熱解的主要階段，物料發(fā)生了各種復雜的物理、化學反應，產(chǎn)生大量的分解產(chǎn)物。生成的液體產(chǎn)物中含有醋酸、木焦油和甲醇（冷卻時析出來）；氣體產(chǎn)物中有CO2、CO、CH4、H2等，可燃成分含量增加。這個階段要放出大量的熱。1.2.4煅燒階段（溫度為450500），生物質(zhì)依靠外部供給的熱量進行木炭的燃燒，使木炭中的揮發(fā)物質(zhì)減少，固定碳含量增加，為放熱階段。實際上，上述四個階段的界限難以明確劃分，各階段的反應過程會相互交叉進5，6。2熱解工藝及影響因素2.1熱解工藝類型從對生物質(zhì)的加熱速率和完成反應所用時間的角度來看，生物質(zhì)熱解工藝基本上可以分為兩種類型：一種是慢速熱解，一種是快速熱解。在快速熱解中，當完成反應時間甚短（0.5s）時，又稱為閃速熱解。根據(jù)工藝操作條件，生物質(zhì)熱解工藝又可分為慢速、快速和反應性熱解三種。在慢速熱解工藝中又可以分為炭化和常規(guī)熱解5。慢速熱解（又稱干餾工藝、傳統(tǒng)熱解）工藝具有幾千年的歷史，是一種以生成木炭為目的的炭化過程，低溫干餾的加熱溫度為500580，中溫干餾溫度為660750，高溫干餾的溫度為9001100。將木材放在窯內(nèi)，在隔絕空氣的情況下加熱，可以得到占原料質(zhì)量30%35%的木炭產(chǎn)量?？焖贌峤馐菍⒛ゼ毜纳镔|(zhì)原料放在快速熱解裝置中，嚴格控制加熱速率（一般大致為10200/s）和反應溫度（控制在500左右），生物質(zhì)原料在缺氧的情況下，被快速加熱到較高溫度，從而引發(fā)大分子的分解，產(chǎn)生了小分子氣體和可凝性揮發(fā)分以及少量焦炭產(chǎn)物。可凝性揮發(fā)分被快速冷卻成可流動的液體，成為生物油或焦油，其比例一般可達原料質(zhì)量的40%60%。與慢速熱解相比，快速熱解的傳熱反應過程發(fā)生在極短的時間內(nèi)，強烈的熱效應直接產(chǎn)生熱解產(chǎn)物，再迅速淬冷，通常在0.5s內(nèi)急冷至350以下，最大限度地增加了液態(tài)產(chǎn)物（油）。常規(guī)熱解是將生物質(zhì)原料放在常規(guī)的熱解裝置中，在低于600的中等溫度及中等反應速率（0.11/s）條件下，經(jīng)過幾個小時的熱解，得到占原料質(zhì)量的20%25%的生物質(zhì)炭及10%20%的生物油79。2.2熱解影響因素總的來講，影響熱解的主要因素包括化學和物理兩大方面。化學因素包括一系列復雜的一次反應和二次反應；物理因素主要是反應過程中的傳熱、傳質(zhì)以及原料的物理特性等。具體的操作條件表現(xiàn)為：溫度、物料特性、催化劑、滯留時間、壓力和升溫速率10。2.2.1溫度在生物質(zhì)熱解過程中，溫度是一個很重要的影響因素，它對熱解產(chǎn)物分布、組分、產(chǎn)率和熱解氣熱值都有很大的影響。生物質(zhì)熱解最終產(chǎn)物中氣、油、炭各占比例的多少，隨反應溫度的高低和加熱速度的快慢有很大差異。一般地說，低溫、長期滯留的慢速熱解主要用于最大限度地增加炭的產(chǎn)量，其質(zhì)量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率分別達到30%和50%（質(zhì)量分數(shù)）1113。溫度小于600的常規(guī)熱解時，采用中等反應速率，生物油、不可凝氣體和炭的產(chǎn)率基本相等；閃速熱解溫度在500650范圍內(nèi)，主要用來增加生物油的產(chǎn)量，生物油產(chǎn)率可達80%（質(zhì)量分數(shù)）；同樣的閃速熱解，若溫度高于700，在非常高的反應速率和極短的氣相滯留期下，主要用于生產(chǎn)氣體產(chǎn)物，其產(chǎn)率可達80%（質(zhì)量分數(shù)）。當升溫速率極快時，半纖維素和纖維素幾乎不生成炭5。2.2.2生物質(zhì)材料的影響生物質(zhì)種類、分子結(jié)構(gòu)、粒徑及形狀等特性對生物質(zhì)熱解行為和產(chǎn)物組成等有著重要的影響3。這種影響相當復雜，與熱解溫度、壓力、升溫速率等外部特性共同作用，在不同水平和程度上影響著熱解過程。由于木質(zhì)素較纖維素和半纖維素難分解，因而通常含木質(zhì)素多者焦炭產(chǎn)量較大；而半纖維素多者，焦炭產(chǎn)量較小。在生物質(zhì)構(gòu)成中，以木質(zhì)素熱解所得到的液態(tài)產(chǎn)物熱值為最大；氣體產(chǎn)物中以木聚糖熱解所得到的氣體熱值最大5。生物質(zhì)粒徑的大小是影響熱解速率的決定性因素。粒徑在1mm以下時，熱解過程受反應動力學速率控制，而當粒徑大于1mm時，熱解過程中還同時受到傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象的控制。大顆粒物料比小顆粒傳熱能力差，顆粒內(nèi)部升溫要遲緩，即大顆粒物料在低溫區(qū)的停留時