生物質熱解能源——節(jié)能環(huán)保新途徑

生物質是一種清潔的可再生能源，生物質快速熱解技術是生物質利用的重要途徑。作為有重要長遠意義和戰(zhàn)略意義的技術儲備，尋求清潔的可再生能源及其利用技術，已成為全球有識之士的共識，受到各國*府和研究機構的廣泛關注。 1 生物質熱解技術 生物質熱化學轉化是在加熱條件下，用化學手段將生物質轉換成燃料物質的技術。通過生物質能轉換技術可*效地利用生物質能源，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)*效、無污染的生物質能利用技術。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。生物質熱解是指生物質在沒有氧化劑（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大分子物質（木質素、纖維素和半纖維素）分解成較小分子的燃料物質 （固態(tài)碳、可燃氣、生物油）。生物質熱解的燃料能源轉化率可達 95.5%。*大限度地將生物質能量轉化為能源產(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。 發(fā)展可再生能源是新能源工業(yè)的重點，而生物質能的綜合利用是大有可為的新興能源產(chǎn)業(yè)。生物質熱解技術是世界上生物質能研究的前沿技術之一。該技術能以連續(xù)的工藝和工廠化的生產(chǎn)質的易儲存、易運輸、能量密度高，且使用方便的代用液體燃料（生物油），其不僅可以直接用于現(xiàn)有鍋爐和燃氣透平等設備的燃燒，而且可通過進一步改進加工使液體燃料的品質接近于柴油或汽油等常規(guī)動力燃料的品質，此外還可以從中提取具有商業(yè)價值的化工產(chǎn)品。相比于常規(guī)的化石燃料，生物油因其所含的硫、氮等有害成分極其微小，可視為21世紀的綠色燃料。 2 生物質熱解的工藝類型、熱解原理及熱解過程 生物質熱裂解液化技術是生物質能源領域的前沿課題，目前已得到世界各國的廣泛關注。生物質熱裂解液化工業(yè)化技術難度很大，公認為是世界性難題。如厭氧投料、快速熱裂解、熱炭降溫、氣/固分離、煙氣凈化及重油掛壁等難題成為難以逾越的技術障礙。據(jù)了解，通過生物質熱裂解液化技術，可將生物質轉化為生物油、生物質炭和各種高附加值的化學品。其中，生物油的轉化率約為24%，生物質炭的轉化率約為36%。生物油是一種用途極其廣泛的新型可再生清潔能源產(chǎn)品，加工后可用于鍋爐、柴油機、渦輪機等。生物質炭疏松多孔、灰分低、含硫量低，有著良好的燃料特性，在冶金業(yè)可用做煉制鋼鐵的還原劑；通過深加工可制成橡膠行業(yè)炭黑替代品；制成活性炭后，可廣泛應用于化工、醫(yī)藥、環(huán)保等領域;通過生物質熱裂解液化技術提取的化學品也具有很高的附加值。 據(jù)熱解條件和產(chǎn)物的不同，生物質熱解工藝可以分為以下幾種類型：一是燒炭。將薪炭放置在炭窯或燒炭爐中，通入少量空氣進行熱分解制取木炭，一個操作期一般需要幾天。二是干餾。將木材原料在干餾釜中隔絕空氣加熱，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚劑、木餾油和木炭等產(chǎn)品。三是熱解液化。把林木廢料及農(nóng)副產(chǎn)品在缺氧的狀況下中溫（500~650℃）快速加熱，然后迅速降溫使其冷卻為液態(tài)生物原*。 從化學反應的角度對其進行分析，生物質在熱解過程中發(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、半纖維素和木質素。熱重分析結果表明，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 350~370 ℃時，分解為低分子產(chǎn)物。半纖維素分子結構上帶有支鏈，是木材中*不穩(wěn)定的組分，在 225~325℃分解，比纖維素更易熱分解，其熱解機理與纖維素相似。 從物質遷移、能量傳遞的角度對其進行分析，在生物質熱解過程中、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。生物質顆粒被加熱的成分迅速裂解成木炭和揮發(fā)分。揮發(fā)分由可冷凝氣體和不可冷凝氣體組成?？衫淠龤怏w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炭、一次生物油和不可冷凝氣體。在多孔隙生物質顆粒內(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。生物質熱解過程*終形成生物油、不可冷凝氣體和生物質。 根據(jù)反應溫度和加熱速度的不同，生物質熱解工藝可分為慢速、常規(guī)、快速或閃速幾種。慢速裂解工藝己有幾千年的歷史，是一種以生成木炭為目的的炭化過程，低溫和長期的慢速裂解可以得到 30%的焦炭∶低于 600℃的中等溫度及中等反應速率的常規(guī)熱裂解可制成相同比例的氣體、液體和固體產(chǎn)品;快速熱裂解大致在 10~200 ℃/s的升溫速率，小于5s的氣體停留時間;閃速熱裂解相比于快速熱裂解的反應條件更為嚴格，氣體停留時間通常小于1s，升溫速率要求大于103 ℃/s，并以 102-103℃/s 的冷卻速率對產(chǎn)物進行快速冷卻。生物質快速熱解過程中，生物質原料在缺氧的條件下，被快速加熱到較高反應溫度，從而引發(fā)了大分子的分解，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?？赡該]發(fā)分被快速冷卻成可流動的液體，稱之為生物油或焦油。生物油為深棕色或深黑色，并具有刺激性的焦味。通過快速或閃速熱裂解方式制得的生物油具有下列共同的物理特征∶高密度（約1 200 kg/m3）;酸性（pH為 2.8~3.8）;高水分含量以及較低的發(fā)熱量（14~18.5 MJ/kg）。 3 農(nóng)村開發(fā)利用生物質能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 生物質能一直是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。根據(jù)各方面專家的研究分析，結合生物質能技術現(xiàn)狀和農(nóng)村地區(qū)的需求特點，具體目標為∶進一步提高禽畜糞便厭氧消化器的池容產(chǎn)氣率，爭取提高30%以上;提高沼氣發(fā)電轉化效率，沼氣消耗量降低10%以上;研究沼氣池商品化快速建造技術，推進市場化進程;研究秸稈干發(fā)酵沼氣技術。提高和穩(wěn)定產(chǎn)氣率;研究秸稈中熱值氣化及相關技術。提高氣化效率和應用范圍;研究秸稈直接燃燒熱利用技術及裝置，拓展秸稈利用領域。 我國是一個人口大國，又是一個經(jīng)濟迅速發(fā)展的國家，21世紀將面臨著經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力。因此改變能源生產(chǎn)和消費方式，開發(fā)利用生物質能等可再生的清潔能源資源，對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)。促進國民經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護意義重大。開發(fā)利用生物質能對中國農(nóng)村更具特殊意義。中國80%人口生活在農(nóng)村，秸稈和薪柴等生物質能是農(nóng)村的主要生活燃料。盡管煤炭等商品能源在農(nóng)村的使用迅速增加，但生物質能仍占有重要地位。農(nóng)村開發(fā)利用生物質能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展研發(fā)方向主要有下述方面∶秸稈干發(fā)酵及其配套技術研究，秸稈厭氧發(fā)酵及集中供氣技術，提高秸稈發(fā)酵的轉化效率，實現(xiàn)秸稈厭氧發(fā)酵轉換技術的規(guī)?；蜕唐坊?。關鍵技術包括;好氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵工藝配合技術和干發(fā)酵*佳發(fā)酵條件;優(yōu)良菌種篩選及*佳發(fā)酵條件;低含水量、高活力"保護劑"篩選和厭氧啟動菌劑的保存技術;促進*菌快速繁殖的 "激*劑"技術等。