淺析生物質(zhì)熱解制生物油的工藝

宋 平 / 遼寧醫(yī)藥化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

淺析生物質(zhì)熱解制生物油的工藝

宋 平 / 遼寧醫(yī)藥化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

二十一世紀(jì)中葉世界能源危機(jī)是人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，因此對(duì)世界各國(guó)來(lái)說(shuō)，研究更高效的技術(shù)利用第四大能源——生物質(zhì)能源是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。我國(guó)的化石能源消費(fèi)能力已經(jīng)接近甚至超過(guò)美國(guó)，成為全球第一能源消費(fèi)國(guó)，我國(guó)生物質(zhì)資源也相當(dāng)豐富，對(duì)生物質(zhì)能的利用也走在世界前列。本文從生物質(zhì)能源的概述及特點(diǎn)出發(fā)，較為詳細(xì)的闡述了生物質(zhì)熱解制生物油技術(shù)，以及生物質(zhì)熱解制生物油技術(shù)的運(yùn)用前景。

能源；生物質(zhì)能；熱裂解；生物油；工藝技術(shù)

生物質(zhì)熱解技術(shù)自上世紀(jì)八十年代以來(lái)發(fā)展迅速，我國(guó)不僅通過(guò)生物質(zhì)熱解技術(shù)又花了國(guó)內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)，為環(huán)保做出了貢獻(xiàn)，還得到了大量了高熱值的液體燃料。

1.生物質(zhì)能源

1.1 生物質(zhì)能源的概述及特點(diǎn)

生物質(zhì)廣泛來(lái)源于動(dòng)、植物，是可再生的物質(zhì)，主要是通過(guò)綠色植物的光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的化學(xué)能儲(chǔ)存在植物體內(nèi)，并通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移到動(dòng)物體內(nèi)。生物質(zhì)能源是指生物質(zhì)能被人類利用的部分。生物質(zhì)的主要來(lái)源為植物，它是獨(dú)特的，作為唯一可再生的碳能源與品種、陽(yáng)光、雨水、溫度、濕度等都有一定的因素。

1.2 開發(fā)生物質(zhì)能源的技術(shù)

為了適應(yīng)生物質(zhì)的特點(diǎn)和滿足用戶的特殊需要，因此生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化技術(shù)是多種多樣的，在實(shí)際使用或研究中主要將生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化技術(shù)分為四種。

直接燃燒技術(shù)分為固型燃料燃燒、垃圾焚燒、鍋爐燃燒以及爐灶燃燒四種，其中爐灶燃燒是最原始、效率最低的利用方式，但是也是最節(jié)省的方式；鍋爐燃燒效率高，適合大規(guī)模的利用，但是投資高，不便于小規(guī)模的利用生物質(zhì)資源；垃圾焚燒對(duì)技術(shù)以及設(shè)備的要求較高，同時(shí)大規(guī)模的利用才能經(jīng)濟(jì)適用，不適合小規(guī)模投資；固型燃料燃燒簡(jiǎn)而言之就是把生物質(zhì)固化，用以替代煤。

1.3 開發(fā)生物質(zhì)能源的意義

開發(fā)生物質(zhì)能源具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保以及社會(huì)等多方面的以及。進(jìn)入二十一世界以后人類面臨著資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及技術(shù)等多方面的壓力，資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及技術(shù)相互依存但有時(shí)也相互矛盾，因此人們需要在這四個(gè)因素中找到一個(gè)平衡點(diǎn)，在不加大對(duì)環(huán)境的破壞下，技術(shù)滿足資源的開發(fā)，保證經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。這四點(diǎn)因素，技術(shù)是關(guān)鍵，因此積極研究開發(fā)新技術(shù)，利用新技術(shù)對(duì)包括生物質(zhì)能在內(nèi)的新型能源進(jìn)行開發(fā)利用，對(duì)促進(jìn)改善環(huán)境與發(fā)展經(jīng)濟(jì)的雙向發(fā)展具有重大而又深遠(yuǎn)的意義。

2.生物質(zhì)熱解制生物油技術(shù)

2.1 生物質(zhì)熱解制生物油概述

生物油是生物質(zhì)在缺氧狀態(tài)下，受熱分解，并通過(guò)冷凝得到的液體產(chǎn)物，同時(shí)還得到氣體副產(chǎn)物（燃?xì)猓?，固體副產(chǎn)物（焦炭）等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，生物質(zhì)熱解獲得最大生物油的產(chǎn)率的最佳反應(yīng)溫度為500℃，最佳的加熱速率為1000-10000℃/S，并且氣相滯留時(shí)間和熱解高溫氣體的淬冷不超過(guò)2s。我國(guó)生物質(zhì)主要來(lái)源的秸稈在最佳反應(yīng)條件下的產(chǎn)油率一般都在50%以上，木材的產(chǎn)油率一般也在60%以上，并且利用生物質(zhì)生產(chǎn)的生物油的熱值也不低。

2.2 生物質(zhì)熱解制生物油的研究現(xiàn)狀

正如前文所述生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)确矫婢哂休^大的優(yōu)勢(shì)，因此早在上世紀(jì)七十年代國(guó)外的相關(guān)企業(yè)就對(duì)利用生物質(zhì)熱解生產(chǎn)生物油展開了相關(guān)研究，取得的研究成果也是顯著的，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了各式各樣的熱解反應(yīng)器（圖2）。進(jìn)入新世紀(jì)以后澳大利亞、加拿大、美國(guó)等研究開發(fā)了適合商業(yè)化的熱解反應(yīng)器，生物油的制取進(jìn)入商業(yè)化、規(guī)模化的階段?？偟膩?lái)說(shuō)我國(guó)對(duì)生物質(zhì)熱解的研究起步較晚，在1995年才引進(jìn)技術(shù)開始研究工作。

2.3 生物質(zhì)熱解制生物油的工藝流程

生物質(zhì)熱解制生物油的工藝流程具體如（圖3）所示。

圖3 生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)工藝流程

流程中的干燥工作是為了不把過(guò)多的水分帶到生產(chǎn)的生物油中，體高生物油的品質(zhì)，實(shí)際中對(duì)干燥的要求沒(méi)有硬性規(guī)定，但一般要求生物質(zhì)原料的含水量在10%以下。針對(duì)不同的反應(yīng)容器，對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行相應(yīng)的則提高產(chǎn)油率，原料粉碎后外界的接觸面積增大，有利于提高加熱速率和反應(yīng)速率。篩分則是針對(duì)反應(yīng)物顆粒大小的不同進(jìn)行選擇，進(jìn)行不同的熱解工作。當(dāng)生物質(zhì)熱解后對(duì)生成物進(jìn)行分離則是工藝流程的最后一步，因?yàn)槭歉邷亓呀馑陨傻纳镉鸵詺怏w狀態(tài)存在，因此需要進(jìn)行冷凝工作；對(duì)裂解產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣態(tài)燃料與固體焦炭還需進(jìn)行分離，氣體燃料的分離教務(wù)簡(jiǎn)單，而交談的分離則需要同時(shí)分離灰燼，因?yàn)樘亢突叶紩?huì)在反應(yīng)容器中積累并堵塞反應(yīng)容器甚至參與反應(yīng)，因此在生物質(zhì)熱解時(shí)需要對(duì)炭和灰進(jìn)行定時(shí)的分離，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行定期的清理。

2.4 目前大量運(yùn)用的生物質(zhì)熱解制生物油的技術(shù)

生物質(zhì)熱解制生物油是一個(gè)化學(xué)變化的過(guò)程，實(shí)際使用中需要看綠的因素很多，因此在實(shí)際運(yùn)用中生物質(zhì)熱解制生物油的技術(shù)按生物質(zhì)的受熱方式進(jìn)行分類，主要分為以下三類：

（1）機(jī)械接觸式反應(yīng)器，這類反應(yīng)器的受熱方式是反應(yīng)器跟生物質(zhì)直接接觸，進(jìn)行最直接的熱傳遞，使生物質(zhì)裂解。

（2）間接式反應(yīng)器，這類反應(yīng)器進(jìn)行熱傳遞的方式為輻射。

（3）混合式反應(yīng)器，這類反應(yīng)器進(jìn)行熱傳遞的方式為對(duì)流換熱。

3.生物質(zhì)熱解制生物油技術(shù)的運(yùn)用前景

生物油具有比原料更好的品質(zhì)、更高的能量密度、更容易儲(chǔ)存的特點(diǎn)，因此生物油在實(shí)際生產(chǎn)、銷售以及利用中具有更大的靈活性。

3.1 更高效催化劑的運(yùn)用

在制備生物油時(shí)需要一定的條件，因此催化劑的選擇在一定程度上保證了生物油制備的效率。制備生物油的催化劑的選擇一般有兩種，加氫催化和ZSM—5。加氫催化顧名思義就是在生物油制備時(shí)，向反應(yīng)容器中加入氫，氫元素結(jié)合生物油分子中氧元素。加氫催化的另一個(gè)作用就是減少生物油的自我氧化，但是加氫處理時(shí)容易生成一些次產(chǎn)物，比如固體焦炭等，容易堵塞反應(yīng)容器。ZSM—5它是一種沸石分子篩它能將生物質(zhì)中的含氧化合物轉(zhuǎn)化成甲烷基苯類化合物。

3.2 木炭、不可凝氣體的運(yùn)用

在實(shí)際中生物質(zhì)熱解會(huì)得到許多的不可凝氣體，這些不可凝氣體的熱值較高，因此它也可以用作生物質(zhì)質(zhì)生物油反應(yīng)中的能量來(lái)源，或者用作工廠、家庭的燃料，這樣也可以節(jié)省能源減少制備過(guò)程中對(duì)環(huán)境的損害。木炭的優(yōu)點(diǎn)有很多，在制備生物有的過(guò)程中可以把產(chǎn)生的焦炭等含碳量高的副產(chǎn)物收集、處理用來(lái)加工成活性炭等工業(yè)用品，甚至用作反應(yīng)燃料等。

4.結(jié)語(yǔ)

能源是國(guó)家發(fā)展的“硬通貨”，但目前世界上的能源結(jié)構(gòu)以化石能源為主，清潔、可再生的能源在能源消費(fèi)中所占比很小。以目前世界的消費(fèi)水平開采全球所探明的化石能源，煤炭資源可供開采時(shí)間還有一百年左右，天然氣還能開采近半個(gè)世紀(jì)，石油開采已經(jīng)不足四十年了。雖然世界各國(guó)國(guó)情不一樣，對(duì)作為世界第四能源的生物質(zhì)能的利用也有所差別，但不可否認(rèn)的是生物質(zhì)能的發(fā)展將迎來(lái)“春天”，生物質(zhì)能將在未來(lái)作為世界的主要能源，因此人類還需努力提高開發(fā)生物質(zhì)能的工藝、技術(shù)。

[1]林木森.生物質(zhì)熱解機(jī)制和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究[D].中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 2007

[2]李玉柱.生物質(zhì)熱裂解制取生物油試驗(yàn)裝置的研制[D].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 2005