生物質(zhì)熱解反應(yīng)器的研究進(jìn)展

武文琴

摘 要：文章綜述了國(guó)內(nèi)外幾種典型的生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器。通過(guò)比較，提出了未來(lái)生物質(zhì)熱解反應(yīng)器研究的主要方向和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；熱解；能源

中圖分類號(hào)：TQ3512 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）20-0006-02

1 概 述

化石能源經(jīng)過(guò)近兩百年的使用，不僅導(dǎo)致了環(huán)境污染，破壞了生態(tài)系統(tǒng)，而且面臨枯竭困境。生物質(zhì)快速熱解作為一種可將生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為液體生物油儲(chǔ)存的新型工藝，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。

生物質(zhì)快速熱解是指在中溫（400～600 ℃）無(wú)氧條件下將生物質(zhì)顆粒（一般要求粒徑d<2 mm）迅速（停留時(shí)間t<2 s）熱解成蒸氣，然后蒸汽快速冷凝液化的過(guò)程。熱解產(chǎn)物主要有生物油、焦炭和不凝性氣體。高的生物質(zhì)顆粒加熱速率（1 000 ℃/s左右）、快的熱解可揮發(fā)物冷凝速度（停留時(shí)間控制在1 s以內(nèi)）和穩(wěn)定的熱解溫度（550～650 ℃）是最大限度地提高生物油得率的關(guān)鍵。而快速熱解反應(yīng)器又是實(shí)現(xiàn)這三個(gè)條件的核心[1]，熱解產(chǎn)物各成分的得率很大程度上決定于采用什么樣的熱解反應(yīng)器及反應(yīng)器的加熱方式。本文主要對(duì)近年來(lái)熱解反應(yīng)器的研究成果進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)和分析。

2 生物質(zhì)熱解反應(yīng)器

2.1 鼓泡流化床反應(yīng)器

鼓泡流化床是迄今研究得較多的熱解反應(yīng)器類型。主要通過(guò)反應(yīng)器底部沸騰狀態(tài)下的流化床載體（傳熱介質(zhì)）提供生物質(zhì)顆粒熱解反應(yīng)所需的熱量。

鼓泡流化床反應(yīng)器上世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)于加拿大Waterloo大學(xué)[2]，旨在通過(guò)該反應(yīng)器達(dá)到最大限度利用木質(zhì)生物質(zhì)材料生產(chǎn)生物油的目的。

西班牙Union Fenosa公司、英國(guó)Wellman公司都研發(fā)了較好的中試裝置（約250 kg/h）。此外，還有中國(guó)科技大學(xué)建立的650 kg/h的流化床熱解裝置[3]。巴西Campinas大學(xué)建成的一套100 kg/h的熱解裝置[3]等。

鼓泡（流化）床簡(jiǎn)單易制，但同時(shí)也需要較小粒徑的原料、高效的焦炭分離設(shè)備，因而前處理成本較高。由于熱量是從外部傳至流化床，大型化后床內(nèi)傳熱不佳也是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

2.2 循環(huán)流化床反應(yīng)器

循環(huán)流化床反應(yīng)器通過(guò)在流化床內(nèi)部對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行流態(tài)化并熱解。加拿大Ensyn公司建立了一套4 000 kg/h的循環(huán)流化床熱解裝置供研究用[4]。該公司還在加拿大安大略省建有處理量分別為50 t/d和70 t/d的生物質(zhì)熱解工廠。

希臘可再生能源中心也研制了生產(chǎn)能力為10 kg/h的循環(huán)流化床反應(yīng)器。Velden等[5]通過(guò)模擬循環(huán)流化床反應(yīng)器快速熱解生物質(zhì)的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)溫度為500～510 ℃時(shí)，生物油的產(chǎn)率最高可達(dá)70%。

循環(huán)流化床停留時(shí)間短，傳熱效率高且可使用較大粒徑的物料，但高效焦炭分離設(shè)備導(dǎo)致的高成本及大型化后床內(nèi)傳熱的問(wèn)題成了循環(huán)流化床反應(yīng)器工業(yè)化的最大瓶頸。

2.3 旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器

旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器中的熱解反應(yīng)是通過(guò)生物質(zhì)與熱砂子沿著旋轉(zhuǎn)的高溫錐壁在離心力作用下進(jìn)入反應(yīng)器底部發(fā)生的，離心力在此反應(yīng)器中起動(dòng)力作用。

由荷蘭Twente大學(xué)發(fā)明研制。旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器在熱解溫度為600 ℃、停留時(shí)間為1 s時(shí)，生物油產(chǎn)率達(dá)60%。BTG公司制造了一套2 000 kg/h的旋轉(zhuǎn)錐熱解裝置。沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)1995年從BTG引進(jìn)了一套給料量為50 kg/h的旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器；在“863”計(jì)劃支持下，東北林業(yè)大學(xué)研制出了處理量為200 kg/h的旋轉(zhuǎn)錐式生物質(zhì)熱解裝置[6]。

旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器的最大優(yōu)點(diǎn)是其無(wú)需通入載氣，因而得以節(jié)約大量成本，但系統(tǒng)較復(fù)雜，對(duì)設(shè)備材料的耐熱隔熱要求甚高，在高溫下運(yùn)行容易出故障，因而難以用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

2.4 移動(dòng)床反應(yīng)器

移動(dòng)床反應(yīng)器是在反應(yīng)器頂部連續(xù)加入生物質(zhì)顆粒，顆粒逐漸下移，最后自底部連續(xù)卸出。氣體自下而上通過(guò)反應(yīng)器以進(jìn)行反應(yīng)。安徵易能建立了3套600 kg/h的移動(dòng)床快速熱解裝置[3]。

移動(dòng)床反應(yīng)器在生物質(zhì)熱解中主要采用固逆流接解，熱利用率高，可利用生物質(zhì)顆粒粒徑范圍較寬，固體顆?？蓪?shí)現(xiàn)連續(xù)化運(yùn)動(dòng)。但固體加入和排出裝置較復(fù)雜，壓降較大，對(duì)反應(yīng)器密閉性要求較高。

2.5 其他反應(yīng)器

此外，熱輻射反應(yīng)器、燒蝕式反應(yīng)器等都是目前研發(fā)得較多的熱解反應(yīng)器。

目前，我國(guó)研究較多的反應(yīng)器有旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器，但研究水平還相對(duì)較低，與國(guó)外差距較大，因而還有大量的工作要做。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，對(duì)生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器的研發(fā)是生物質(zhì)快速熱解的熱點(diǎn)，但由于生物質(zhì)復(fù)雜的組成和性質(zhì)，熱解反應(yīng)過(guò)程異常復(fù)雜，簡(jiǎn)單的反應(yīng)式和模型很難對(duì)起進(jìn)行描述，導(dǎo)致對(duì)生物質(zhì)熱解機(jī)理的研究相對(duì)滯后，成為了制約熱解技術(shù)水平提高和發(fā)展的最大短板。

化石能源經(jīng)過(guò)近兩百年的使用，不僅導(dǎo)致了環(huán)境污染，破壞了生態(tài)系統(tǒng)，而且面臨枯竭困境。生物質(zhì)快速熱解作為一種可將生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為液體生物油儲(chǔ)存的新型工藝，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。

生物質(zhì)快速熱解是指在中溫（400～600 ℃）無(wú)氧條件下將生物質(zhì)顆粒（一般要求粒徑d<2 mm）迅速（停留時(shí)間t<2 s）熱解成蒸氣，然后蒸汽快速冷凝液化的過(guò)程。熱解產(chǎn)物主要有生物油、焦炭和不凝性氣體。高的生物質(zhì)顆粒加熱速率（1 000 ℃/s左右）、快的熱解可揮發(fā)物冷凝速度（停留時(shí)間控制在1 s以內(nèi)）和穩(wěn)定的熱解溫度（550～650 ℃）是最大限度地提高生物油得率的關(guān)鍵。而快速熱解反應(yīng)器又是實(shí)現(xiàn)這三個(gè)條件的核心[1]，熱解產(chǎn)物各成分的得率很大程度上決定于采用什么樣的熱解反應(yīng)器及反應(yīng)器的加熱方式。本文主要對(duì)近年來(lái)熱解反應(yīng)器的研究成果進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)和分析。

對(duì)此，今后，要將生物質(zhì)熱解機(jī)理方面的研究作為生物質(zhì)快速熱解取得突破的關(guān)鍵，通過(guò)進(jìn)一步探明機(jī)理對(duì)更有效地推進(jìn)生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器的研究。

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