生物質(zhì)熱解反應(yīng)裝置研究現(xiàn)狀及展望

姬文心， 曾 鳴， 叢宏斌， 姚宗路， 孟海波， 趙立欣*

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100125)

隨著化石能源的大規(guī)模開發(fā)利用，其資源儲(chǔ)量日漸枯竭，同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，生物質(zhì)資源的開發(fā)和利用越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外政府與學(xué)者的重視。生物質(zhì)資源是一種重要的可再生能源，與化石燃料相比，生物質(zhì)資源種類眾多、數(shù)量巨大、分布廣泛[1]，因此研究開發(fā)生物質(zhì)資源能源化利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的能源化利用，對(duì)解決日益嚴(yán)重的能源問(wèn)題以及濫用化石能源所帶來(lái)的環(huán)境污染有著重要意義[2]。生物質(zhì)資源的利用技術(shù)包括直接燃燒技術(shù)、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)、物理轉(zhuǎn)化及生物法轉(zhuǎn)化技術(shù)，其中，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化中的生物質(zhì)熱解技術(shù)是生物質(zhì)資源化綜合利用的重要的途徑之一，具有轉(zhuǎn)化速度快、效率高、適應(yīng)面廣等特點(diǎn)，是科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。生物質(zhì)熱解是指在無(wú)氧或低氧環(huán)境下，生物質(zhì)被加熱到一定溫度，其中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分發(fā)生分解產(chǎn)生焦炭、可冷凝液體和氣體產(chǎn)物的過(guò)程[3-5]。生物質(zhì)熱解作為一種重要的生物質(zhì)資源能源化利用途徑，可實(shí)現(xiàn)95.5%的生物質(zhì)的能源轉(zhuǎn)化效率。通常按溫度、升溫速率、停留時(shí)間等條件的不同將熱解分為慢速熱解(升溫速率為3～5 ℃/s，最高反應(yīng)溫度為400 ℃，物料反應(yīng)停留時(shí)間為數(shù)小時(shí)至數(shù)天)、常規(guī)熱解(升溫速率 5～100 ℃/s，最高反應(yīng)溫度一般不超過(guò)600 ℃，物料反應(yīng)停留時(shí)間一般為5～30 min)、快速熱解(反應(yīng)溫度在 500～800 ℃，反應(yīng)時(shí)間小于1 s)3種工藝[6-7]。目前人們對(duì)生物質(zhì)熱解的基礎(chǔ)理論研究已較為深入，新型熱解裝置及工藝已成為生物質(zhì)熱解技術(shù)的研究熱點(diǎn)，筆者從生物質(zhì)熱解反應(yīng)器、生物質(zhì)催化熱解反應(yīng)器及生物質(zhì)預(yù)處理裝置3個(gè)方面對(duì)生物質(zhì)熱解反應(yīng)裝置的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并分析列舉了現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足，指出了生物質(zhì)熱解今后的發(fā)展方向。

1 生物質(zhì)的預(yù)處理裝置

生物質(zhì)預(yù)處理是指通過(guò)干燥、烘焙、蒸汽爆破、水熱等手段改變生物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)如密度、水分含量、化學(xué)組成等特性，從而達(dá)到對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化處理、提高生物質(zhì)熱解產(chǎn)物產(chǎn)率和品質(zhì)的目的?，F(xiàn)階段生物質(zhì)熱解物料的預(yù)處理主要包括對(duì)生物質(zhì)的蒸汽爆破、干燥及烘焙預(yù)處理等方面的研究。

1.1 蒸汽爆破預(yù)處理

1. 物料壓實(shí)活塞material compaction piston; 2. 彈射氣動(dòng)閥門ejecting pneumatic valve; 3. 排料活塞discharge piston; 4. 汽爆腔steam explosion chamber; 5. 進(jìn)料器biomass feeder圖1 蒸汽爆破實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch of steam explosion test platform

將生物質(zhì)置于高溫高壓蒸汽環(huán)境中，水滲透到生物質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)中，接著壓力瞬間降低爆破。生物質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)中的水分在釋放排出過(guò)程中，會(huì)迅速?zèng)_破細(xì)胞壁，破壞植物組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)纖維原料結(jié)構(gòu)的變化以及組分的分離。汽爆預(yù)處理后的生物質(zhì)緊密的纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞，孔隙度增加，同時(shí)可使部分纖維素及木質(zhì)素發(fā)生分解。楊昌炎等[8]對(duì)麥稈進(jìn)行汽爆預(yù)處理再熱解試驗(yàn)，結(jié)果顯示：蒸汽汽爆處理可以降低生物質(zhì)熱解氣產(chǎn)率，提高熱解油和焦炭產(chǎn)率，降低熱解油中乙酸和羥基丙酮的含量，并使熱解油的熱值提高，顯著改善了熱解油的品質(zhì)。任天寶等[9]利用蒸汽爆破實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖1)對(duì)爆破預(yù)處理后玉米秸稈的熱失重特性及其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：蒸汽爆破預(yù)處理后玉米秸稈在同樣加熱速率條件下，熱解過(guò)程特性顯著改變，最大熱分解速率提高 34.57%；分別利用Coats-Redfern法和Kissinger法確定了熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并獲得熱解動(dòng)力學(xué)模型；試樣與原玉米秸稈相比活化能(E)降低 24.13%～32.56%，指前因子(A)提高8%～10%。

現(xiàn)有的蒸汽爆破裝置主要分間歇式和連續(xù)式爆破式2種，圖1即為間歇式蒸汽爆破裝置的一種，間歇式蒸汽爆破裝置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，操作方便，但爆破作業(yè)不能連續(xù)進(jìn)行，蒸汽不能重復(fù)利用，故能耗高。為克服上述問(wèn)題，陳杰等[10]研發(fā)出了適用于工業(yè)化生產(chǎn)的螺桿擠壓連續(xù)汽爆裝置，該裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。其工作原理是：粉碎后的原料在進(jìn)料口處與噴淋的稀硫酸溶液一起進(jìn)入單螺桿擠出機(jī)，在防反噴閥的作用下形成料塞，料塞在單螺桿擠出機(jī)的推動(dòng)下向前移動(dòng)；當(dāng)料塞進(jìn)入滯留器上方時(shí)，高溫高壓的蒸汽由入口處進(jìn)入，迅速滲透到物料內(nèi)部，使物料溫度迅速上升，物料組織內(nèi)部壓力與滯留器壓力平衡；物料散落到滯留器內(nèi)，由滯留器內(nèi)的螺帶推動(dòng)前進(jìn)，通過(guò)控制螺旋的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)節(jié)物料在滯留器內(nèi)的停留時(shí)間；在輸送過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一定的滯留時(shí)間，使半纖維素充分水解；物料到達(dá)噴放閥后，打開噴放閥，瞬間減壓，從而實(shí)現(xiàn)閃蒸的作用，物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素分離。該裝置在實(shí)現(xiàn)連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了物料在裝置內(nèi)的浸漬脫水過(guò)程，對(duì)生物質(zhì)物料的汽爆效果明顯。

1.2 干燥預(yù)處理

1.2.1箱式干燥器 箱式干燥器種類較多且較為常見(jiàn)，包括熱風(fēng)箱式干燥器和微波干燥箱。干燥器外形與箱子類似，外部設(shè)有保溫層，內(nèi)部設(shè)有物料支架或軌道小車，干燥介質(zhì)為高溫?zé)煔饣蚶梦⒉ㄝ椛洹Ｏ涫礁稍锲鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)操作簡(jiǎn)便，但存在干燥效率低，對(duì)物料的水分控制較為困難，難以對(duì)大批量生物質(zhì)進(jìn)行連續(xù)化干燥作業(yè)。

1. 滯留器retention device; 2. 輸料螺旋conveying screw; 3. 防反噴閥anti backspray valve; 4. 單螺桿機(jī)single screw extruder圖2 螺桿擠壓連續(xù)汽爆裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural sketch of screw extrusion continuous steam explosion device

1.2.2立式氣流干燥機(jī) 立式氣流干燥機(jī)由熱風(fēng)發(fā)生爐、進(jìn)料裝置、干燥輸送管道、旋風(fēng)分離器及風(fēng)機(jī)等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。裝置工作時(shí)，風(fēng)機(jī)首先將由熱風(fēng)爐產(chǎn)生的熱風(fēng)抽入干燥管內(nèi)，生物質(zhì)粉料經(jīng)加料口進(jìn)入干燥管，物料和熱風(fēng)在干燥管內(nèi)混合并向前運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，物料中的水分快速蒸發(fā)析出，完成干燥過(guò)程。物料流進(jìn)入旋風(fēng)分離器分離出生物質(zhì)干料，尾氣經(jīng)風(fēng)機(jī)排出[11]。

1,5. 風(fēng)機(jī)air ejector fan; 2. 旋風(fēng)分離器cyclone separator; 3,4. 干燥管drying tube; 6. 進(jìn)料機(jī)feeder; 7. 熱風(fēng)爐hot air stove圖3 立式氣流干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural sketch of vertical airflow dryer

立式氣流干燥機(jī)主要用于生物質(zhì)粉狀物料的干燥，在干燥過(guò)程中由于物料粒度較小，分散性較好，能與干燥介質(zhì)(高溫?zé)煔?、熱氣?充分接觸，因此傳熱系數(shù)高、熱效率高、干燥速度快，處理能力大，且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。但該裝置對(duì)物料的粒度要求較為嚴(yán)格，物料在干燥之前需粉碎，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生粉塵，污染周圍環(huán)境。

1.2.3螺旋管式干燥機(jī) 螺旋管式干燥機(jī)與滾筒式干燥機(jī)屬于氣流干燥機(jī)的一種，兩者工作原理相似，高溫氣體在裝置內(nèi)部穿過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的干燥，但前者利用內(nèi)部輸料螺旋代替后者筒體的轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。螺旋管式干燥機(jī)主體由螺旋輸送器、進(jìn)料裝置、燃燒爐等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

螺旋輸送器采用變螺距螺旋，螺距由進(jìn)料端向出料端逐漸變大，物料與高溫?zé)煔膺\(yùn)動(dòng)方向相反，兩者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中充分接觸，物料中的水分逐漸蒸發(fā)析出，完成對(duì)物料的干燥過(guò)程。該裝置對(duì)物料的粒度要求較低，通過(guò)控制輸料螺旋轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制物料的干燥時(shí)間，并可實(shí)現(xiàn)物料干燥的連續(xù)化作業(yè)。

1.2.4流化床干燥機(jī) 流化床干燥機(jī)與傳統(tǒng)流化床反應(yīng)器較為相似，生物質(zhì)物料在流化氣體的作用下，在裝置內(nèi)部呈流態(tài)化，并向出料口移動(dòng)，通常以高溫?zé)煔庾鳛榱骰瘹怏w，物料在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與熱煙氣充分混合，完成干燥過(guò)程的傳熱傳質(zhì)。該裝置具有較強(qiáng)的干燥均勻性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但裝置對(duì)物料的粒度要求較為嚴(yán)格，同時(shí)不適用于高含水量且易粘結(jié)成團(tuán)的物料[12]，因此，該裝置的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用具有一定的局限性。

圖4 螺旋管式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural sketch of spiral tube dryer

1.3 烘焙預(yù)處理

生物質(zhì)的烘焙預(yù)處理是指在絕氧或限氧環(huán)境中、反應(yīng)溫度在200～300 ℃條件下的低溫慢速熱解過(guò)程，烘焙預(yù)處理可減少生物質(zhì)中的水分及氧元素含量，顯著提高生物質(zhì)原料的能量密度和可磨性，明顯改善生物質(zhì)的燃料性能和疏水性能，減少了復(fù)吸現(xiàn)象的發(fā)生，以生物質(zhì)的熱解為例，烘焙可最大限度降低生物質(zhì)中水分和氧元素含量，進(jìn)而提高生物油和熱解氣熱值，并可顯著降低熱解產(chǎn)品生物質(zhì)油中的水分、氧及羧酸的含量。相較于生物質(zhì)的干燥預(yù)處理，烘焙在生物質(zhì)資源的利用過(guò)程中應(yīng)用更加廣泛。因烘焙預(yù)處理屬于生物質(zhì)的低溫慢速熱解，烘焙過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w，因此生物質(zhì)烘焙裝置較干燥機(jī)工況條件更為嚴(yán)格，常見(jiàn)的生物質(zhì)烘焙裝置主要以固定床反應(yīng)器為主。

現(xiàn)階段對(duì)生物質(zhì)的烘焙預(yù)處理裝置主要為實(shí)驗(yàn)室所用固定床反應(yīng)器，裝置主要由氮?dú)馄俊⒎磻?yīng)管、電加熱爐、冷凝器等部分組成，常見(jiàn)的烘焙用固定床反應(yīng)器如圖5所示[13-15]。試驗(yàn)過(guò)程中首先將盛有樣品的樣品皿放入石英管內(nèi)，后利用高純氮?dú)獯祾呤⒎磻?yīng)管內(nèi)空氣，待空氣排空后將加熱爐按設(shè)定升溫程序進(jìn)行升溫，此時(shí)氮?dú)庾鳛檩d氣持續(xù)充入反應(yīng)器，生物質(zhì)烘焙過(guò)程中生成的氣態(tài)產(chǎn)物進(jìn)入冷凝裝置，冷凝裝置采用冰水浴，產(chǎn)物中的焦油、水分、乙酸等液體產(chǎn)物進(jìn)入裝置中的收集瓶?jī)?nèi)，不可冷凝氣體進(jìn)入氣袋進(jìn)行收集。

1. 氮?dú)馄縩itrogen bottle; 2. 流量計(jì)flow meter; 3. 控溫儀temperature control instrument; 4. 電加熱爐electric heating

烘焙預(yù)處理可最大限度降低生物質(zhì)的水分含量，同時(shí)降低生物質(zhì)中氧的含量，提高生物油和熱解氣熱值，但在烘焙過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的以CO2、CO為主的低熱值揮發(fā)性氣體，在污染環(huán)境的同時(shí)降低了生物質(zhì)的能源利用率，因此實(shí)現(xiàn)烘焙氣體產(chǎn)物的燃燒回用以及利用熱解過(guò)程的余熱來(lái)烘焙生物質(zhì)是未來(lái)烘焙預(yù)處理裝置的發(fā)展方向。

2 生物質(zhì)熱解反應(yīng)器

2.1 概述

生物質(zhì)熱解反應(yīng)器是生物質(zhì)熱解技術(shù)中重要的組成部分，反應(yīng)器的類型及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)直接影響生物質(zhì)熱解的產(chǎn)物分布和品質(zhì)。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)研究和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已開發(fā)出多種生物質(zhì)熱解反應(yīng)器，如美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)開發(fā)的燒蝕式熱解反應(yīng)器、德國(guó)卡爾斯魯厄科研中心(F-K)開發(fā)的螺旋熱解反應(yīng)器、加拿大、西班牙和英國(guó)聯(lián)合開發(fā)的鼓泡流化床反應(yīng)器、荷蘭Twente大學(xué)開發(fā)的旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器等。熱解反應(yīng)器種類繁多，常根據(jù)生物質(zhì)原料及載熱體受熱和運(yùn)動(dòng)方式的不同加以區(qū)分(見(jiàn)表1)。直至目前，旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、燒蝕式反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器3種熱解反應(yīng)器發(fā)展較為成熟，新型大規(guī)模熱解反應(yīng)器近期研究進(jìn)展較少，文獻(xiàn)報(bào)告多為實(shí)驗(yàn)室階段或中試階段。

表1 熱解反應(yīng)器的種類

2.2 旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器

第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器由荷蘭Twente大學(xué)和BTG公司共同研發(fā)，該裝置的生產(chǎn)處理能力約為10 kg/h，生物質(zhì)焦油產(chǎn)率最大可達(dá)70%[16]。旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器原理及工藝流程如圖6所示，反應(yīng)器主要有2個(gè)同心圓錐體構(gòu)成，內(nèi)錐固定，外錐在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下沿旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。熱解過(guò)程中，生物質(zhì)原料顆粒和高溫載熱體(如石英砂)一同進(jìn)入反應(yīng)器的外錐底部，此時(shí)，生物質(zhì)顆粒與載熱體受離心力的作用在錐體表面做螺旋上升運(yùn)動(dòng)，生物質(zhì)顆粒與載熱體混合碰撞，進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，生物質(zhì)顆粒迅速升溫并發(fā)生裂解，生成熱解氣和固體產(chǎn)物(生物焦炭)，熱解氣經(jīng)導(dǎo)氣管進(jìn)入旋風(fēng)分離器后經(jīng)冷凝得到生物質(zhì)燃?xì)夂蜕镔|(zhì)焦油產(chǎn)物，生物炭和載熱體進(jìn)入燃燒室燃燒，加熱后的載熱體重新進(jìn)入反應(yīng)器形成一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)[17]。

1. 內(nèi)錐inter cone; 2. 外錐outer cone; 3. 焦炭燃燒爐char burner; 4. 旋風(fēng)分離器cyclone separator; 5. 冷凝器condenser圖6 旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器工作原理及工藝流程Fig.6 Working principle and process flow of the rotating cone reactor

在旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器中，生物質(zhì)顆粒和載熱體主要依靠自身的位移運(yùn)動(dòng)進(jìn)行碰撞和混合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)量和熱量的交換。與流化床式反應(yīng)器相反，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加氣體，因而降低了系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，避免了可燃?xì)怏w的稀釋，但缺點(diǎn)是反應(yīng)器含有運(yùn)動(dòng)構(gòu)件(如旋轉(zhuǎn)錐等)，而這運(yùn)動(dòng)部件一般又都需要在高溫和高粉塵環(huán)境下作懸臂旋轉(zhuǎn)，因而對(duì)材料和軸承的耐熱性、耐磨性、密封性能的要求相當(dāng)高[18-19]。

2.3 燒蝕式反應(yīng)器

燒蝕式反應(yīng)器的主要研發(fā)單位有美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)、英國(guó)的Aston大學(xué)和德國(guó)的Pytec公司。燒蝕式反應(yīng)器一般通過(guò)離心力或機(jī)械力的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)顆粒緊貼高溫壁面并與壁面做一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，生物質(zhì)顆粒與反應(yīng)器高溫壁面接觸的緊密程度直接影響了生物質(zhì)顆粒的熱解效果。如圖7所示為美國(guó)NREL開發(fā)的燒蝕渦旋熱解反應(yīng)器工作原理圖。

1. 加熱器heater; 2. 反應(yīng)器reactor; 3. 旋風(fēng)分離器cyclone separator; 4. 過(guò)濾器filter; 5. 冷凝器condenser圖7 燒蝕渦旋熱解反應(yīng)器工作原理流程圖Fig.7 Flow chart of the working principle of the ablation vortex pyrolysis reactor

燒蝕式反應(yīng)器利用過(guò)熱蒸汽或氮?dú)鈳?dòng)生物質(zhì)顆粒做旋流運(yùn)動(dòng)，利用產(chǎn)生的高速離心作用使物料顆粒與反應(yīng)器高溫壁面緊密接觸，從而完成燒蝕和熱解反應(yīng),生成的氣體產(chǎn)物經(jīng)管道進(jìn)入旋風(fēng)分離器，而未完全反應(yīng)的生物質(zhì)顆粒經(jīng)過(guò)循環(huán)回路進(jìn)入反應(yīng)器重新熱解。由于該反應(yīng)器特有的工作特點(diǎn)，物料顆粒在熱解過(guò)程中粒徑不斷縮小，因此燒蝕反應(yīng)器具有處理物料粒徑范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。NREL于2003年建成了處理量為50 kg/h的熱解裝置，經(jīng)生產(chǎn)試驗(yàn)，該裝置在625 ℃時(shí)，液體產(chǎn)物總產(chǎn)率可達(dá)55%[20]。

英國(guó)的Aston大學(xué)和德國(guó)的Pytec公司在燒蝕渦旋熱解反應(yīng)器的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，利用刮板所產(chǎn)生的機(jī)械力代替氣體旋流產(chǎn)生的離心力，簡(jiǎn)化了操作流程，降低了生產(chǎn)成本。該裝置在生產(chǎn)過(guò)程中，特殊的螺旋狀刮板一方面迫使物料與高溫壁面緊密接觸，同時(shí)保證了生物炭的快速排出，減少了熱解過(guò)程中氣體產(chǎn)物的二次反應(yīng)，大幅度提高了生物質(zhì)焦油的產(chǎn)率，液體產(chǎn)物產(chǎn)率可達(dá)81%[21]。

2.4 流化床式反應(yīng)器

2.4.1鼓泡流化床熱解反應(yīng)器 鼓泡流化床反應(yīng)器是研究最早、技術(shù)最成熟的熱解反應(yīng)器，進(jìn)入反應(yīng)器中的生物質(zhì)顆粒在反應(yīng)器底部沸騰狀態(tài)下的流化床載熱體中吸收熱量完成熱解，鼓泡流化床工作原理可見(jiàn)圖8。Dynamotive公司建立了日處理100 t木屑的鼓泡流化床工業(yè)示范裝置，生物油產(chǎn)率在 60%以上，油品主要用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電[22],西班牙UnionFenosa公司和英國(guó)Wellman公司都研發(fā)了處理量250 kg/h的中試裝置，中國(guó)科技大學(xué)建立了650 kg/h的流化床熱解裝置[23]。

1. 載熱體heat carrier; 2. 旋風(fēng)分離器cyclone separator; 3. 冷凝器condensor圖8 鼓泡流化床反應(yīng)器工作原理圖Fig.8 Working principle diagram of bubbling fluidized bed reactor

鼓泡流化床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝置體積較小，反應(yīng)過(guò)程中氣相停留時(shí)間短，可有效降低二次反應(yīng)，明顯提高焦油產(chǎn)量，但裝置對(duì)于物料粒度要求較高。物料為大顆粒時(shí)，裝置中熱解過(guò)程產(chǎn)生的積炭難以被流化氣體帶出，而較小的物料顆粒會(huì)在流化床上部懸浮，2種情況都可引起焦油的裂解，導(dǎo)致生物質(zhì)焦油的產(chǎn)量及品質(zhì)下降。

2.4.2循環(huán)流化床熱解反應(yīng)器 近年來(lái)對(duì)循環(huán)流化床反應(yīng)器的研究較為深入，主要的研究單位有加拿大的Ensyn公司、意大利國(guó)家電力公司(ENEL)、希臘可再生能源中心(CRES)和化學(xué)過(guò)程工程研究院(CPERI)以及芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心(VTT)等。

希臘CRES研究中心研究開發(fā)了處理能力為10 kg/h的試驗(yàn)裝置，運(yùn)用了提升管系統(tǒng)，提高了傳熱傳質(zhì)效率，經(jīng)試驗(yàn)證明：當(dāng)溫度為500～510 ℃時(shí)，生物油的產(chǎn)率可達(dá)70%[24]。循環(huán)流化床反應(yīng)器研究開發(fā)較為成功的是加拿大Ensyn公司，該公司建立了處理量達(dá)4 000 kg/h的熱解裝置，在循環(huán)傳輸床中布置有燃燒室，載熱體為石英砂，高溫石英砂與生物質(zhì)顆粒密切接觸，生物質(zhì)的加熱速率大幅提高[25]。載熱體石英砂與熱解后的生物炭一起被吹出反應(yīng)器，經(jīng)管道進(jìn)入旋風(fēng)分離器，石英砂與生物炭在旋風(fēng)分離器中與熱解氣分離，分離后的石英砂和生物炭一起進(jìn)入燃燒室，生物炭的燃燒加熱石英砂，高溫石英砂再與生物質(zhì)顆?；靹虬l(fā)生熱解反應(yīng)，這樣就構(gòu)成了熱解循環(huán)。循環(huán)流化床反應(yīng)器的工作原理圖見(jiàn)圖9。

1.炭粒+載熱體carbon particles and heat carrier; 2,3.旋風(fēng)分離器cyclone separator; 4.冷凝器condenser圖9 循環(huán)流化床反應(yīng)器工作原理圖Fig.9 Working principle of circulating fluidized bed reactor

循環(huán)流化床反應(yīng)器具有停留時(shí)間短、傳熱效率高、處理能力大等優(yōu)點(diǎn)，但在熱解過(guò)程中，裝置需要大量的載氣，旋風(fēng)分離器的磨損及大量高溫氣體的冷凝會(huì)損失大量能量，導(dǎo)致成本較高，這是制約循環(huán)流化床反應(yīng)器推廣應(yīng)用的最大障礙[26]。

2.5 新型熱解反應(yīng)器

國(guó)內(nèi)外科研院所針對(duì)現(xiàn)有發(fā)展較為成熟的熱解反應(yīng)器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中暴露出的問(wèn)題，如原料轉(zhuǎn)化率低、物料傳熱傳質(zhì)效率低、易于發(fā)生二次反應(yīng)、物料熱解不均勻等，設(shè)計(jì)開發(fā)了多種新型熱解反應(yīng)器。

2.5.1生物質(zhì)微粉霾化熱解反應(yīng)器 霾化熱解是一種高效的熱解方法，使生物質(zhì)微粉在水蒸氣和CO2氣氛下形成一種“人工霾”, 此過(guò)程即為霾化。生物質(zhì)微粉被載氣吹起呈沸騰狀態(tài)像氣溶膠一樣均勻懸浮在反應(yīng)器內(nèi)的氣化劑中，使生物質(zhì)微粉充分與熱解介質(zhì)接觸，促進(jìn)了熱解過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)，可快速得到所需熱解產(chǎn)物[27]。南京工業(yè)大學(xué)趙忠祥等[28]設(shè)計(jì)開發(fā)出了處理能力為50 kg/h的新型生物質(zhì)微粉霾化快速熱解裝置，裝置結(jié)構(gòu)及工藝如圖10所示。將生物質(zhì)物料粉碎至合適粒徑，并通過(guò)加熱至300 ℃的輸料螺旋輸送至反應(yīng)器底部，待反應(yīng)器加熱至設(shè)定溫度后，利用氣化劑(CO2)將反應(yīng)器底部生物質(zhì)微粉吹送至熱解反應(yīng)區(qū)，同時(shí)控制霧化器以保證水霧和物料能在反應(yīng)器內(nèi)部混合均勻。生物質(zhì)微粉與氣化劑及水一同發(fā)生熱解反應(yīng)，反應(yīng)后的氣固產(chǎn)物先后經(jīng)旋風(fēng)分離器分離及冷凝系統(tǒng)后得到生物質(zhì)炭、油及熱解氣。

1. 加熱輸料螺旋heating feed spiral; 2. 載氣入口carrier gas inlet; 3. 反應(yīng)器reactor; 4. 霧化器噴嘴nebulizer nozzle; 5. 加熱器heater; 6. 旋風(fēng)分離器cyclone separator; 7. 冷凝器condenser; 8. 燃?xì)鈨艋鱣as purifier圖10 生物質(zhì)微粉霾化熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工藝流程圖Fig.10 Structure and process flow chart of biomass micropowder deuteration pyrolysis reactor

作為一種新型的生物質(zhì)熱解反應(yīng)裝置，生物質(zhì)微粉霾化熱解反應(yīng)器較好地實(shí)現(xiàn)了加熱和霾化2個(gè)功能，較小的物料粒徑可極大提高熱解過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)速率并保證物料的充分反應(yīng)，氣化劑及水霧的加入，可調(diào)節(jié)熱解過(guò)程中的碳、氫和氧，提高油、氣產(chǎn)物產(chǎn)率。但較小的物料粒徑增加了生物質(zhì)熱解的成本，熱解后氣固混合增加了旋風(fēng)分離器分離難度，熱解過(guò)程中需要大量載氣，導(dǎo)致裝置放大困難，制約了該裝置的工業(yè)化應(yīng)用。

2.5.2生物質(zhì)氣固渦流熱解反應(yīng)器 渦流熱解反應(yīng)器屬于燒蝕反應(yīng)器的一種，生物質(zhì)顆粒在高速氮?dú)饣蜻^(guò)熱蒸汽引射流作用下沿切線方向進(jìn)入反應(yīng)器,被高速離心力作用在高溫反應(yīng)器壁上燒蝕,從而完成快速熱解過(guò)程。比利時(shí)根特大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)了生物質(zhì)氣固渦流熱解反應(yīng)器，并利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬熱解過(guò)程中物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)強(qiáng)化生物質(zhì)的熱解效果[29]。如圖11所示為生物質(zhì)氣固渦流熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工藝流程圖。

1. 雙脈沖漫射激光dual-pulse diffuse laser; 2. 粒子圖像測(cè)速儀particle image velocimeter; 3，5. 反應(yīng)器reactor; 4. 物料流material flow; 6. 旋風(fēng)分離器cyclone separator; 7. 冷凝器condenser; 8. 過(guò)濾器filter圖11 生物質(zhì)氣固渦流熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工藝流程圖Fig.11 Structure and process flow chart of biomass gas-solid vortex pyrolysis reactor

熱解過(guò)程中N2首先經(jīng)電加熱器加熱至930 K，高溫N2在作為輸送載氣的同時(shí)為生物質(zhì)熱解提供所需溫度，生物質(zhì)與高溫高速N2混合形成物料流經(jīng)喂料口進(jìn)入反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)部做渦流運(yùn)動(dòng)并完成熱解過(guò)程，熱解后的氣固混合物經(jīng)旋風(fēng)分離器分離得到生物炭，氣體經(jīng)過(guò)冷凝及電捕焦油得到生物油和不可冷凝氣體產(chǎn)物。熱解過(guò)程中通過(guò)雙脈沖漫射激光照射物料，經(jīng)粒子圖像測(cè)速儀檢測(cè)物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，收集數(shù)據(jù)建立模型，經(jīng)CFD模擬和冷態(tài)試驗(yàn)證實(shí)，生物質(zhì)氣固渦流熱解反應(yīng)器可滿足氣體質(zhì)量流速5～10 g/s、物料質(zhì)量流速0.14～1.4 g/s的熱解條件,并適用于不同形狀和粒徑的生物質(zhì)，裝置實(shí)現(xiàn)了較高的離心力/拖曳力比，以氣體代替沙子、鋼球等載熱體作為反應(yīng)床層，具有較高的傳熱傳質(zhì)效率，顯示出氣固渦流熱解反應(yīng)器在生物質(zhì)熱解中的應(yīng)用潛力。但該裝置存在處理量小、裝置易磨損、熱解過(guò)程需要大量載氣、加熱N2需耗費(fèi)大量電能等問(wèn)題，目前難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

2.5.3攪拌床式熱解反應(yīng)器 為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)快速熱解以及增加生物油產(chǎn)率的目的，北京林業(yè)大學(xué)研究開發(fā)了處理能力為2 kg/h的攪拌床式熱解反應(yīng)器，通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)部攪拌槳的轉(zhuǎn)動(dòng)使載熱體溫度均勻分布，并實(shí)現(xiàn)物料與載熱體充分混合接觸，反應(yīng)器中的物料自上而下在穿過(guò)和接觸載熱體床層過(guò)程中完成裂解反應(yīng)。經(jīng)試驗(yàn)證明：該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)生物質(zhì)快速熱解、保持載體及生物質(zhì)顆粒連續(xù)運(yùn)動(dòng)、氣固兩相產(chǎn)物快速移出反應(yīng)室并且保證了熱解處于無(wú)氧或低氧環(huán)境[30]。如圖12所示為攪拌床熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工藝流程。

熱解過(guò)程中，首先啟動(dòng)攪拌電機(jī)和電棒加熱，使床層溫度分布均勻，反應(yīng)器床層由導(dǎo)熱板和熱載體床料(金屬球或陶瓷球)組成，待床層升溫至設(shè)定溫度，生物質(zhì)物料經(jīng)密封螺旋輸送機(jī)進(jìn)入反應(yīng)室，在接觸和穿過(guò)熱載體床層的過(guò)程中完成熱解反應(yīng)，固相產(chǎn)物在槳葉攪拌及重力作用下透過(guò)床層間隙排出反應(yīng)區(qū)，氣體產(chǎn)物經(jīng)排出管道進(jìn)入冷凝系統(tǒng)得到生物油和不可冷凝氣體。由于攪拌槳的攪動(dòng)強(qiáng)化了載熱體與生物質(zhì)顆粒之間的傳熱過(guò)程，同時(shí)有利于生物質(zhì)顆粒表面新生炭層的剝落，提高了熱解反應(yīng)速率，床層的不斷翻滾運(yùn)動(dòng)，一方面有利于物料層內(nèi)部產(chǎn)物揮發(fā)分的及時(shí)析出和生物炭透過(guò)床層迅速排出，另一方面保證了床層溫度的均勻化。該裝置易于實(shí)現(xiàn)大型化，但隨著處理量的大幅增加，電加熱的功率較難滿足熱解需要，下一步可在生物質(zhì)油氣回用來(lái)加熱反應(yīng)器方面進(jìn)行完善。

2.5.4自由落體式熱解反應(yīng)器 自由落體反應(yīng)器主體由加熱器和反應(yīng)器組成，物料經(jīng)反應(yīng)器上方加入，在反應(yīng)器內(nèi)部由于重力作用做自由落體運(yùn)動(dòng)，物料迅速受熱并發(fā)生裂解。大連理工大學(xué)Zhang等[31]利用新型自由落體式熱解反應(yīng)器進(jìn)行生物質(zhì)和煤的快速熱解和共熱解，裝置結(jié)構(gòu)與工藝流程如圖13所示。

1. 加熱電棒heating rod; 2. 集炭倉(cāng)carbon bunker; 3. 攪拌槳impeller; 4. 冷凝器condenser圖12 攪拌床熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工藝流程Fig.12 Structure and process flow of stirred bed pyrolysis rea

1. 加熱器heater; 2. 集炭倉(cāng)carbon bunker; 3. 反應(yīng)器reactor; 4. 一級(jí)冷凝器primary condenser; 5. 二級(jí)冷凝器secondary condenser圖13 自由落體反應(yīng)器機(jī)構(gòu)及工藝流程圖Fig.13 Free fall reactor mechanism and process flow chart

裝置主要由給料單元、自由落體反應(yīng)管、氣固分離器和產(chǎn)品收集單元組成，試驗(yàn)過(guò)程中物料經(jīng)進(jìn)料螺旋進(jìn)入反應(yīng)管，反應(yīng)管由不銹鋼制成，采用電加熱方式，生物質(zhì)在下落過(guò)程中經(jīng)過(guò)反應(yīng)區(qū)完成熱解。反應(yīng)產(chǎn)生的氣固混合物經(jīng)反應(yīng)管底部的氣固分離器分離，生物炭經(jīng)星型閥排出，揮發(fā)分經(jīng)真空泵抽出反應(yīng)器，通過(guò)一級(jí)、二級(jí)冷凝分別得到生物質(zhì)油、水、木醋液和不可冷凝氣。該裝置可用于研究炭及二次反應(yīng)對(duì)熱解產(chǎn)物的影響，但揮發(fā)分在物料層中的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，二次反應(yīng)明顯，不利于提高生物質(zhì)油的產(chǎn)率，同時(shí)氣固分離器在熱解過(guò)程中容易發(fā)生生物炭或焦油冷凝堵塞現(xiàn)象，不利于熱解的持續(xù)進(jìn)行。

反應(yīng)器的類型直接影響著熱解產(chǎn)物的分布，不同類型的反應(yīng)器有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，只有根據(jù)具體的工藝條件，生產(chǎn)中的實(shí)際需求選擇合適的反應(yīng)器，才能最好地發(fā)揮裝置性能，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源利用的最大化。如表2所示為常見(jiàn)幾種生物質(zhì)熱解反應(yīng)器特點(diǎn)匯總。

表2 常見(jiàn)幾種生物質(zhì)熱解反應(yīng)器特點(diǎn)

3 生物質(zhì)催化熱解反應(yīng)器

目前催化熱解反應(yīng)器的研究報(bào)告較少，考慮到生物質(zhì)在催化熱解過(guò)程中需與催化劑接觸的問(wèn)題，對(duì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)要求較高，現(xiàn)有的生物質(zhì)催化熱解反應(yīng)器主要為固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器。

3.1 雙流化床催化熱解反應(yīng)器

流化床反應(yīng)器可較好地實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料與催化劑的混勻和分離，容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，處理能力大，裝置易于放大，但由于流化床特殊的工況要求，故對(duì)催化劑的強(qiáng)度要求較高，同時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行成本高，限制了其在生物質(zhì)熱解中的研究應(yīng)用。美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)和比勒陀利亞大學(xué)共同研發(fā)了雙流化床催化熱解反應(yīng)器，生物質(zhì)設(shè)計(jì)處理能力為83.3 kg/h，系統(tǒng)整體包括2個(gè)流化床反應(yīng)器，一個(gè)為主熱解反應(yīng)器，另一個(gè)作為燃燒反應(yīng)器，熱交換介質(zhì)為催化劑或石英砂，裝置結(jié)構(gòu)及其工藝流程如圖14所示。裝置在運(yùn)行過(guò)程中，首先利用液化石油氣加熱燃燒反應(yīng)器內(nèi)的載熱體，待裝置內(nèi)的載熱體升溫至設(shè)定溫度后，生物質(zhì)經(jīng)輸料螺旋喂入主熱解反應(yīng)器，生物質(zhì)在其內(nèi)部發(fā)生熱解生成揮發(fā)分，揮發(fā)分經(jīng)旋風(fēng)分離器分離其中夾雜的生物質(zhì)炭，再經(jīng)進(jìn)一步的冷凝分離生物質(zhì)油和生物質(zhì)熱解氣體產(chǎn)物，氣體產(chǎn)物一部分作為熱解反應(yīng)器的流化氣體，一部分作為燃料加熱燃燒反應(yīng)器內(nèi)的載熱體，剩余的作為產(chǎn)物進(jìn)行收集，而進(jìn)入加熱反應(yīng)器內(nèi)的生物質(zhì)炭會(huì)發(fā)生燃燒加熱載熱體，高溫載熱體進(jìn)入熱解反應(yīng)器使生物質(zhì)發(fā)生熱解，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行。

1，5. 旋風(fēng)分離器cyclone separator; 2. 燃燒反應(yīng)器combustion reactor; 3. 熱解反應(yīng)器pyrolysis reactor; 4. 冷凝器condenser

Boateng等[32]以HZSM-5為催化劑為載熱體對(duì)柳枝稷草、木材、馬糞3種美國(guó)常見(jiàn)生物質(zhì)進(jìn)行催化熱解，催化劑顆粒中含有20%的氧化鋁，控制燃燒反應(yīng)器溫度600～650 ℃范圍內(nèi)，熱解反應(yīng)器溫度達(dá)到500 ℃后開始進(jìn)料，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)生物質(zhì)熱解產(chǎn)物進(jìn)行收集，試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算催化劑的損失量。結(jié)果顯示：催化熱解可明顯降低生物質(zhì)油中氧的量(低于10%)，提高熱解氣體產(chǎn)物的產(chǎn)率，但也造成其產(chǎn)量的明顯降低，生物質(zhì)油的產(chǎn)率約為5%。裝置在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了催化劑再生的循環(huán)，同時(shí)由于催化劑在循環(huán)再生過(guò)程中附著炭粉的燃燒，減少了氣體產(chǎn)物及液化石油氣的使用量，經(jīng)測(cè)算試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為3.25 h，催化劑的損耗量為15%，因此裝置在運(yùn)行過(guò)程中的催化劑的損失是該裝置面臨的主要問(wèn)題，而開發(fā)新型催化劑，優(yōu)化物料及催化劑循環(huán)再生系統(tǒng)是解決此問(wèn)題的有效途徑。

3.2 二級(jí)固定床催化熱解反應(yīng)器

固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，對(duì)催化劑的強(qiáng)度要求低，應(yīng)用最為廣泛，但固定床反應(yīng)器處理能力小、反應(yīng)器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布不均等問(wèn)題制約了其在生產(chǎn)中的放大應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)通過(guò)生物質(zhì)熱解制取富氫燃?xì)獾哪康?，天津大學(xué)生物質(zhì)能源研究中心設(shè)計(jì)開發(fā)了二級(jí)固定床催化熱解反應(yīng)器，裝置主體包括一級(jí)固定床反應(yīng)器(熱解反應(yīng)器)、二級(jí)固定床反應(yīng)器(催化反應(yīng)器)、冷卻系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、給料器等部分組成，熱解反應(yīng)器為矩形碳鋼結(jié)構(gòu)，采用電加熱，保溫層為硅酸鋁材料，催化反應(yīng)器為碳鋼圓柱形結(jié)構(gòu)，底部設(shè)有催化劑顆粒層。如圖15所示為二級(jí)固定床催化熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工藝流程圖。

1. 輸料螺旋feeding scroll; 2. 熱解反應(yīng)器pyrolysis reactor; 3. 生物質(zhì)顆粒biomass particles; 4. 催化劑顆粒層

陳冠益等[33]對(duì)比了二級(jí)固定床催化反應(yīng)器在不同反應(yīng)條件下對(duì)產(chǎn)氣量、產(chǎn)氫率和焦油含量的影響，試驗(yàn)證明：通過(guò)在催化反應(yīng)器中添加煅燒白云石或鎳基催化劑可降低燃?xì)庵?9.5%的焦油含量，同時(shí)提高產(chǎn)氣量及產(chǎn)氫率。在750 ℃條件下，分別以煅燒白云石和鎳基催化劑為催化劑對(duì)稻桿進(jìn)行催化熱解試驗(yàn)，并與單一熱解進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：以煅燒白云石為催化劑時(shí)，產(chǎn)氣率提高22%，氫氣提高了50%；鎳基催化劑時(shí)，產(chǎn)氣率提高36.6%，氫氣提高76.2%，鎳基催化劑的催化效果優(yōu)于煅燒白云石，但后者經(jīng)濟(jì)性較好。該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但不能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的連續(xù)熱解，同時(shí)熱解所得生物質(zhì)炭不易取出，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 下吸式微波催化熱解反應(yīng)器

南昌大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)開發(fā)了下吸式微波催化熱解反應(yīng)器，反應(yīng)器以微波爐為主體，內(nèi)置石英反應(yīng)器，直徑為5 mm的SiC顆粒微波吸收層置于石英反應(yīng)器中，在石英管連接器外部設(shè)有電加熱套，內(nèi)部裝有復(fù)合催化劑，系統(tǒng)末端設(shè)有冷凝裝置，以便對(duì)生物質(zhì)油和熱解氣體產(chǎn)物進(jìn)行收集。如圖16為下吸式微波催化熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及流程圖。

1. 微波爐microwave oven; 2. SiC微波吸收層microwave absorbent(SiC) bed; 3. 石英管連接器quartz connector; 4. 復(fù)合催化劑層composite catalyst layer; 5. 電加熱套electric heating jacket; 6. 冷凝器condenser圖16 下吸式微波催化熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工藝流程圖Fig.16 Structure and process flow chart of downdraft microwave catalytic pyrolysis reactor

Jiang等[34]利用下吸式微波催化熱解反應(yīng)器研究了復(fù)合催化劑對(duì)大豆秸稈和皂腳熱解產(chǎn)物分布和化學(xué)組成的影響。熱解過(guò)程中首先向系統(tǒng)內(nèi)通入1 L/min的氮?dú)?，在排凈裝置內(nèi)空氣之后，將SiC微波吸收床層加熱至550 ℃，當(dāng)微波吸收床層和石英管連接器外加熱套加熱至合適溫度后，將大豆秸稈和皂腳混合加入反應(yīng)器中，熱解氣與催化劑接觸并發(fā)生催化反應(yīng)，之后熱解氣經(jīng)石英管底部排出，進(jìn)入冷凝器進(jìn)一步分離得到生物質(zhì)油和熱解氣體產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在催化溫度為450 ℃，進(jìn)料與催化劑比為2∶1，大豆秸稈與皂腳比為1∶1的條件下，烷烴、烯烴、芳香族化合物和苯氧基化合物的比例分別為6.82%、4.5%、73.56%和11.11%，催化熱解提高了生物油中芳烴的比例，降低了含氧化合物含量。該裝置利用微波加熱，加熱效率高，但試驗(yàn)過(guò)程中物料與微波吸收床層不能均勻接觸，同時(shí)物料極易堵塞SiC微波吸收床層，在一定程度上影響了熱解過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)。

4 結(jié)論及展望

4.1國(guó)內(nèi)外已研究開發(fā)出多種生物質(zhì)熱解反應(yīng)器，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化應(yīng)用，其中以流化床反應(yīng)器最具代表性，流化床反應(yīng)器具有較高的傳熱效率，處理能力大、氣相停留時(shí)間短、裝置體積小等特點(diǎn)，得到了廣泛的研究開發(fā)和應(yīng)用，但裝置生產(chǎn)成本較高，對(duì)物料的粒度要求較高，制約了流化床的工業(yè)化推廣。新型熱解反應(yīng)器也有報(bào)道，但多處于試驗(yàn)或中試階段，因此研究開發(fā)原料適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低，高傳熱效率、易于擴(kuò)大的新型熱解反應(yīng)器是推進(jìn)生物質(zhì)熱解發(fā)展的重要一步。

4.2生物質(zhì)催化熱解是今后生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化的發(fā)展方向，對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行催化熱解可大幅提高能源轉(zhuǎn)化率，增加生物質(zhì)焦油或熱解氣的產(chǎn)量，改變熱解產(chǎn)物中的物質(zhì)組成。目前生物質(zhì)的催化熱解主要聚焦在熱解催化劑方面，對(duì)催化熱解專用反應(yīng)器研究較少，而現(xiàn)有的幾種催化熱解反應(yīng)器存在著生產(chǎn)過(guò)程中催化劑損耗高、循環(huán)利用率低、不能連續(xù)化生產(chǎn)等眾多問(wèn)題，而反應(yīng)器和催化劑的性能直接影響著催化熱解效果，因此開發(fā)高活性、高效、低成本的催化劑及設(shè)計(jì)新型催化熱解專用反應(yīng)器是今后重要的研究方向。