熱解生物油在清潔能源中的應(yīng)用前景

羅燁 梁鐘璇

（貴州省遵義市環(huán)境保護監(jiān)測中心站 貴州遵義 563300）

近年來，伴隨著石油能源的逐漸枯竭，爆發(fā)了石油危機，導致全球油價飆升。石油產(chǎn)品在其生產(chǎn)和使用過程中對人類以及整個全球環(huán)境造成了巨大的危害。能源問題已成為我國社會可持續(xù)發(fā)展的核心問題，開發(fā)利用新能源與可再生能源已刻不容緩。利用儲量巨大的生物質(zhì)能發(fā)展可再生的清潔型生物燃料可以幫助緩解能源危機，同時可以扭轉(zhuǎn)由于化石燃料的大量使用而造成的全球環(huán)境日益惡化的趨勢。利用農(nóng)業(yè)林業(yè)殘余物和生活生產(chǎn)廢棄物熱解生產(chǎn)的生物油，作為一種新型的可再生能源，有著巨大的應(yīng)用前景，另外，生物油還可以作為生產(chǎn)化工產(chǎn)品的原料。

1 生物油應(yīng)用

熱解生物油是指由生物質(zhì)在無氧或缺氧的環(huán)境下熱解產(chǎn)生的熱解氣經(jīng)冷凝而得到的一種深棕色粘稠的、顯酸性、具有刺激性氣味的油狀液體。熱解生物油是含氧量極高的復雜混合物，幾乎包括所有的含氧有機物，含有大量的水、酚類、酯類、酮類、醛類、酸類等。熱解生物油的化學組成不僅與原料種類密切相關(guān)，而且還與熱解條件有關(guān)。生物油熱解方式一般按加熱速率的快慢可以分為快速熱解法和慢速熱解法。兩種熱解方式所需要的儀器設(shè)備不同。

生物油是一種具有潛在的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用前景的產(chǎn)品，熱解生物油不僅可以作為燃料物質(zhì)，而且還是一種重要的化工原料。

1.1 作為能源燃料

1.1.1 燃燒供熱

生物油中含有大量含氧化合物和水，使其熱值比化石燃料油要低，但是燃燒火焰測試表明快速熱解所得生物油可以代替重油和輕質(zhì)油在工業(yè)鍋爐中應(yīng)用。由于生物質(zhì)油含水量高，不易點燃，所以點火時需要輔助燃料引燃；生物質(zhì)油的粘度較高，燃料輸送系統(tǒng)和噴霧燃燒器也需要進行改造；另外也可以采用添加甲醇的方法改善生物質(zhì)油的燃燒特性。美國可再生能源實驗室NREL在工業(yè)鍋爐上進行了生物質(zhì)油的燃燒測試。測試結(jié)果表明，較小容量的工業(yè)鍋爐經(jīng)一定改造后可以穩(wěn)定地燃燒生物質(zhì)油，而且采用一定措施后CO和NOx的排放量能夠控制在規(guī)定的范圍內(nèi)；但如果不采取熱蒸汽過濾等措施降低生物質(zhì)油中固體雜質(zhì)的含量，顆粒物的排放量將是燃輕質(zhì)油的兩倍。

1.1.2 燃燒發(fā)電

與供熱相比，用生物油發(fā)電具有更高的經(jīng)濟價值，而且易銷售、經(jīng)營和運作。為了實現(xiàn)生物油發(fā)電，需要對生物油進行改性提質(zhì)和柴油機、燃氣輪機的改進。德國Rostock大學Strenziok等利用輸出功率為75kW的小型商業(yè)燃氣輪機T216燃燒生物油。發(fā)現(xiàn)在雙燃料模式下燃氣輪機輸出功率為最大輸出功率的73%，其中40%由生物油產(chǎn)生，60%由柴油產(chǎn)生。與燃燒柴油相比雙燃料模式下產(chǎn)生的CO和碳氫化合物排放物增加，而NOx減少，且燃氣輪機的燃燒室和葉片會積炭。

目前，生物油在柴油機和燃氣輪機中的應(yīng)用還是小規(guī)模的，且存在著設(shè)備腐蝕性和生物油結(jié)焦等問題。生物油發(fā)電大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用還需要解決很多問題，如對燃料泵、襯里和發(fā)動機的燃燒噴射系統(tǒng)進行改進，而且要求發(fā)電機具有耐腐蝕能力。

1.1.3 交通運輸燃料

對生物質(zhì)熱解油進行催化和品位升級處理，獲得高品質(zhì)生物汽油和生物柴油，可同化石燃料一樣直接用于汽車等運載工具。并且生物油含硫量很低，不會造成酸雨，其它排放物均在可接受范圍內(nèi)，是一種環(huán)保型的燃料油。加拿大Dynamotive技術(shù)能源系統(tǒng)公司于2009年6月29日公布改質(zhì)的生物油試樣蒸餾分析結(jié)果，確認其為汽油、噴氣燃料、柴油和減壓瓦斯油餾分，擁有開發(fā)合成烴類車用燃料的潛力。其內(nèi)部獨立測試分析結(jié)果表明，改質(zhì)的生物油(UBB)為類似于原油餾分的組分混合物，總的氧含量(w)小于0.1%，熱值約為45 MJ/kg，其主要成分為C4-C30的烷烴、烯烴和芳烴。

生物油作為交通燃料代替有限的化石燃料是需要對生物油進行深度的提質(zhì)改性，如增加其熱值、降低粘度、去處其中的酸性物質(zhì)和殘?zhí)课镔|(zhì)等。另外還需要對各種運載工具的燃機進行改進。

1.2 作為化工原料

1.2.1 提煉化學產(chǎn)品

人們已經(jīng)從生物油中鑒別出了三百多種化合物，主要是木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的熱解衍生物，有乙酸、丙酮、左旋葡聚糖、羥基乙醛和羥基丙酮等等。

由于生物油成分十分復雜，從中分離某些特殊化學物質(zhì)具有可能行，但是還沒有實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。最有利用前景的是乙醇醛，是一種快速熱解生物油中一種主要組分。乙醇醛是熏烤肉類的木材煙中的活性物質(zhì)，因而其受到食品調(diào)味劑生產(chǎn)企業(yè)的青睞。美國Red Arrow Products和RTI公司已經(jīng)實現(xiàn)了生物油中從分離的乙醇醛。

1.2.2 生產(chǎn)生物油產(chǎn)品

生物油可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)生物油產(chǎn)品——生物石灰，生物石灰是由加拿大Dynamotive技術(shù)公司推出的一種高效、低成本的應(yīng)用于燃煤中SO2/NOx排放控制的新產(chǎn)品。生物石灰是用生物燃油+石灰，在一定的溫度和壓力條件下制成的一種復雜的有機鈣鹽類物質(zhì)。相比于一般以石灰或石灰石作為燃煤脫硫脫氮劑，生物石灰脫硫效率更高：通過調(diào)整生物石灰中鈣含量和Biolime添加劑的量，可使脫硫率達90%～95%，而且可以清除燃燒中產(chǎn)生的大部分NOx。生物石灰具有一定的熱值，燃燒產(chǎn)熱，充分利用生物油作為能源燃料的同時，可以降低煤耗10%以上。而且燃燒反應(yīng)可得到純度較高的石膏（95%的硫酸鈣）。

另外，生物油中含有大量的羰基官能團，可與含氮原料包括氨、尿素、蛋白質(zhì)等含-NH2的物質(zhì)反應(yīng)生成酰亞胺和氨基化合物，這樣可以生產(chǎn)含10%氮素的生物油產(chǎn)品，研究表明這種生物油產(chǎn)品可以緩慢的釋放其中的氮素，可以作為一種新型的緩釋肥。與傳統(tǒng)的無機氮肥相比，這種肥料具有很強的抗淋失能力，可以減少對地表水的污染。而且由于含有大量的木質(zhì)素熱解產(chǎn)物，可以增加土壤有機碳含量，并作為一種碳匯體，對于農(nóng)業(yè)和環(huán)境都有重要意義。

2 前景展望

生物質(zhì)熱解生物油作為一種新型的清潔能源，在中國有著巨大的發(fā)展應(yīng)用前景。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年要產(chǎn)生7億t的秸稈，其中只有1億t作為飼料，2億t被就地焚燒，還有4億t沒有被好好利用甚至廢棄。另外，每年還有2億t的林業(yè)廢棄物未被好好利用并構(gòu)成火災(zāi)隱患。如果能將4億t農(nóng)業(yè)秸稈和2億t的林業(yè)廢物用于生產(chǎn)生物油，按每噸生物質(zhì)生產(chǎn)0.5t生物油計算，可以得到3億t的生物油。3億t生物油的熱量值與可與1.2億t的石油燃料相當。但是目前，由于生物油生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)還不成熟，生物質(zhì)熱解生物油要取得大規(guī)模的應(yīng)用，還需要更多的研究在以下一些方面進行投入：

(1)熱解生物油與傳統(tǒng)燃料相比還存在這許多缺點，需要對生物油進行精制改性提升生物油的品質(zhì)，才能使得生物油大規(guī)模應(yīng)用成為可能。

(2)生物質(zhì)熱解技術(shù)還有待發(fā)展，以盡量增加生物油的產(chǎn)量、品質(zhì)，并降低生產(chǎn)成本。

(3)生物油在生產(chǎn)、處理、運輸和利用過程中產(chǎn)生的環(huán)境健康和安全問題需要更多的關(guān)注、研究和解決。

(4)需要建立健全整套關(guān)于生物油的標準和規(guī)范，為生物油的廣泛的發(fā)展應(yīng)用提供支持。

(5)需要國家去鼓勵和支持生物油的研究、生產(chǎn)和消費。

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