生物質熱裂解過程的節(jié)能與優(yōu)化

王曉英，王宇光，劉 穎，谷新春

(1.吉林工商學院 食品工程分院，吉林 長春130062;2.中國化學賽鼎寧波工程有限公司，浙江 寧波315040)

0 引言

生物質是一切有生命的，可以生長的有機物質的通稱，是一種分布于世界各地的、普遍的、年年再生的無限產品［1］。秸稈是生物質的一種，是潔凈的可再生能源，它的開發(fā)利用越來越受到人們的關注。我國作為農業(yè)大國，生物質資源十分豐富，每年農作物秸稈產量達7億多噸，其中大部分被廢棄燃燒，不僅污染環(huán)境，而且由于熱效率低，造成能源的浪費。目前，生物質秸稈資源利用已成為國內外眾多學者研究的焦點，生物質熱裂解液化技術已被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|能技術之一，這一技術存在的問題是快速裂解的條件較難控制，熱能利用率較低，因此，高效、綜合地提高熱裂解過程中的熱能利用率，是生物質熱裂解中急待解決的難題之一［2］。

1 生物質熱裂解過程

生物質熱裂解液化技術是在無氧或者缺氧的條件下，以103～104℃/s的加熱速率將生物質加熱至450～600℃，使生物質發(fā)生分子鍵斷裂、異化和小分子聚合等復雜的化學反應，生成小分子氣體(生物氣)、可凝性揮發(fā)組分(生物油)及固體產物(焦炭)。因為固相在熱裂解爐停留時間較長，二次、三次甚至多次裂解不可避免，產生小分子氣體的量就越多，液體的量就越少。所以，生物質熱裂解液化工藝條件十分苛刻，要求嚴格控制加熱速率、反應溫度以及固相停留時間和氣相滯留時間［3］。

在生物質的轉化工藝中，生物質熱裂解技術是最具發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g之一。該技術能以連續(xù)的工藝和工廠化的生產方式將以農作物秸稈為主的低品位能源轉化為高品質的易儲存、易運輸、能量密度高且使用方便的代用液體燃料——生物油。生物油不僅可直接用于現有鍋爐和燃氣透平等設備的燃燒，而且可以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。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。同時，熱裂解產生的副產品還有同樣具有商業(yè)價值的中熱值的燃燒氣和炭。生物質熱裂解加工及其產品見圖1［4］。

圖1 生物質熱裂解加工及其產品Fig.1 Biomass pyrolysis processing and its products

2 生物質熱裂解的節(jié)能與優(yōu)化研究

近年來，由于能源逐漸匱乏，環(huán)境污染日趨嚴重，節(jié)能減排越來越受到人們的重視。因此，工業(yè)的節(jié)能降耗具有重要的經濟效益和社會效益。目前，人們紛紛從各種途徑尋找降低生產過程能耗的辦法，并取得了很好的效果。夾點技術就是目前應用最廣泛的熱集成技術之一，它是將熱力學原理和系統工程相結合，對工程系統的能量進行優(yōu)化配置，提高系統的能量利用率，從而降低能耗［5］。

夾點技術是英國學者Linhoff于20世紀70年代在總結前人研究基礎之上提出的，并逐漸發(fā)展成為一整套換熱網絡的設計法。該技術是以熱力學為基礎，從宏觀角度分析過程系統中能量流沿溫度的分布，從中發(fā)現系統用能的“瓶頸”所在，并給以解“瓶頸”的一種方法。夾點技術以整個系統為出發(fā)點，同以前只著眼于局部，只考慮某幾股熱流的回收、某個設備或車間的改造的節(jié)能技術相比，節(jié)能效果和經濟效益要顯著得多。應用夾點技術可以方便地找出換熱網絡中不合理的用能設備，對優(yōu)化換熱網絡提供指導，使能量達到最大回收［6］。夾點分析時，將物流數據輸入到夾點分析軟件Aspen Energy Analyzer中進行處理，得到組合曲線夾點圖。從圖中得到冷公用工程用量、熱公用工程用量、夾點溫度、最小傳熱溫差等參數，從圖中找出換熱網絡的用能問題。

胡愛娟等利用夾點技術的人工神經網絡法，研究糠醛渣(玉米芯和植物纖維)熱裂解反應特性，預測生物質熱裂解的產品分布和產量，為生物質熱裂解過程的能量優(yōu)化分析提供了基礎性研究數據［7］。

生物質熱裂解是一個吸熱過程，需要源源不斷地向反應器內提供熱量。不同的研究表明，生物質熱裂解所需的熱量是比較少的，如NREL的研究得出，生物質快速熱裂解所需的能量僅為230 kJ/kg;何芳等利用同步熱分析儀確定小麥秸稈從303 K到773 K過程的升溫和熱裂解所需的總熱量為558 kJ/kg［8］;Dynamotive公司在流化床小試裝置上的能量衡算表明，生產1 kg生物油所需提供的全部熱量為2.5 MJ［9］。生物質快速熱裂解一般得到50%～70%(wt)的生物油，其余產物為焦炭和燃燒氣，每kg生物質熱裂解得到的焦炭和燃燒氣的總能量大于其熱裂解所需要的熱量，這表明完全可以利用熱裂解副產物來為生物質熱裂解提供能量，從而實現生物質的自熱式熱裂解［10］，達到節(jié)能的目的。

圖2為自熱式生物質熱裂解工藝流程。裂解爐出來的煙氣在空氣預熱器中與冷空氣換熱，冷空氣被加熱后送入裂解爐，空氣預熱器中排出的煙氣，經煙氣冷卻器冷卻至150℃以下后，送入地槽對物料進行干燥，同時將物料間隙中的空氣置換出來，降低氧的含量，避免氫原子與氧原子結合生成水。從裂解爐出來的裂解產物在旋風分離器中進行氣固分離，炭粉送至炭粉冷卻器，冷卻后的炭粉進入炭粉除塵器分離，夾帶炭粉的燃氣送回裂解爐以調整裂解爐用熱。從旋風分離器中分離出的氣態(tài)生物質送精餾洗滌塔洗滌，塔頂排出的氣體經冷凝器冷凝后進入油水分離器，分離出輕質油。精餾洗滌塔塔底的重油經冷卻后得到重油產品。

圖2 自熱式生物質熱裂解工藝流程Fig.2 Biomass pyrolysis thermal cycle process

自熱式生物質熱裂解工藝的主要特點是:熱裂解爐用自身產生的燃氣加熱，不需要任何化石燃料;熱量被充分利用，可通過調節(jié)裂解溫度，調整所產生燃氣的比率，一方面滿足生產過程用熱，一方面使裝置的產油率最高;整個裝置不排放任何污染物，洗滌塔底流出的含渣高沸點產物量少，且可作為鍋爐燃料油使用。因此，該工藝流程能高效、綜合地提高熱裂解過程中的熱能利用率，從而降低生產成本，提高炭、可冷凝氣體和可燃氣體或生物質燃料的產出率和質量。

李濱等利用ZRS200型錐式生物質閃速熱裂解裝置對生物質熱裂解氣液化冷凝技術進行了深入研究，該裝置由喂入、反應器和收集三個主要部分組成，熱裂解溫度600℃。熱裂解氣的冷凝采用直混式對噴冷凝塔，使得從旋風分離器分離出來的熱裂解氣體，在冷凝塔中與冷的生物油直接接觸，并在1～2 s內迅速冷凝成生物油［11］。這種直接接觸式換熱設備具有結構簡單，沒有間接換熱熱阻，傳熱效率高，節(jié)能效果明顯等特點。圖3為ZRS200型錐式生物質閃速熱裂解工藝流程。

圖3 ZRS200型錐式生物質閃速熱裂解工藝流程Fig.3 Biomass flash pyrolysis ZRS200Cone type process

青島科技大學丁赤民等研發(fā)了下吸式移動床生物質秸稈閃速熱裂解工藝［12］，該工藝結合了自熱式生物質熱裂解工藝和ZRS200型錐式生物質閃速熱裂解工藝特點，采用裂解產生的燃氣作為裂解爐熱源，燃燒后的氣體用于脫除生物質原料中的空氣，同時對原料進行預熱;部分生物油循環(huán)，直接用于裂解氣的洗滌，提高熱利用率，達到節(jié)能目的。目前，該工藝已實現工業(yè)化生產。

圖4為下吸式移動床生物質閃速熱裂解工藝流程。

圖4 下吸式移動床生物質閃速熱裂解工藝流程Fig.4 Biomass flash pyrolysis moving bed process

3 結束語

目前，世界各國都在對可再生能源進行研究，生物質秸稈作為一種潔凈能源，其利用時SO2、NO2等危害氣體排放量極小，而且具有CO2零排放的優(yōu)點［13］。生物質熱裂解過程依靠自身產生的熱量進行供熱，沒有外界能量的輸入，真正實現了節(jié)能減排。隨著技術的不斷進步和秸稈清潔能源成本的降低，我們深信，清潔秸稈能源的利用具有美好的前景。

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