趙廷林,，王 鵬,，鄧大軍，舒 偉,，曹冬輝 [河南農業(yè)大學機電工程學院,，農業(yè)部可再生能源重點開放實驗室] 2008-01-16
摘 要：主要論述了生物質熱解技術的原理、熱解反應過程,、熱解工藝類型及影響因素,。在分析國內外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上,，提出生物質熱解技術主要存在的不足，對生物質熱解技術的發(fā)展前景進行了展望,。
關鍵詞：生物質熱解,；研究進展；發(fā)展現(xiàn)狀,；展望
0 引 言
通過生物質能轉換技術可高效地利用生物質能源,， 生產各種清潔能源和化工產品，從而減少人類對于化石能源的依賴,，減輕化石能源消費給環(huán)境造成的污染,。 目前，世界各國尤其是發(fā)達國家,，都在致力于開發(fā)高效,、無污染的生物質能利用技術，以保護本國的礦物能源資源,，為實現(xiàn)國家經濟的可持續(xù)發(fā)展提供根本保障,。
生物質熱解是指生物質在沒有氧化劑（空氣、氧氣,、水蒸氣等）存在或只提供有限氧的條件下,，加熱到逾500℃，通過熱化學反應將生物質大分子物質（木質素,、纖維素和半纖維素）分解成較小分子的燃料物質（固態(tài)炭,、可燃氣、生物油）的熱化學轉化技術方法,。生物質熱解的燃料能源轉化率可達95.5%,，最大限度的將生物質能量轉化為能源產品，物盡其用,，而熱解也是燃燒和氣化必不可少的初始階段[1],。
1 熱解技術原理
1.1 熱解原理
從化學反應的角度對其進行分析， 生物質在熱解過程中發(fā)生了復雜的熱化學反應,，包括分子鍵斷裂,、異構化和小分子聚合等反應。木材,、林業(yè)廢棄物和農作物廢棄物等的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素,。熱重分析結果表明,，纖維素在52℃時開始熱解，隨著溫度的升高,，熱解反應速度加快,，到350～370℃時,，分解為低分子產物，其熱解過程為：
(C6H10O5)n→nC6H10O5
C6H10O5→H2O+2CH3-CO-CHO
CH3-CO-CHO+H2→CH3-CO-CH2OH
CH3-CO-CH2OH+H2→CH3-CHOH-CH2+H2O
半纖維素結構上帶有支鏈,，是木材中最不穩(wěn)定的組分,，在225～325℃分解，比纖維素更易熱分解,，其熱解機理與纖維素相似[2],。
從物質遷移、能量傳遞的角度對其進行分析,，在生物質熱解過程中,，熱量首先傳遞到顆粒表面，再由表面?zhèn)鞯筋w粒內部,。熱解過程由外至內逐層進行,，生物質顆粒被加熱的成分迅速裂解成木炭和揮發(fā)分。其中,，揮發(fā)分由可冷凝氣體和不可冷凝氣體組成,，可冷凝氣體經過快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反應生成生物質炭,、一次生物油和不可冷凝氣體,。在多孔隙生物質顆粒內部的揮發(fā)分將進一步裂解，形成不可冷凝氣體和熱穩(wěn)定的二次生物油,。同時,，當揮發(fā)分氣體離開生物顆粒時，還將穿越周圍的氣相組分,，在這里進一步裂化分解,，稱為二次裂解反應。生物質熱解過程最終形成生物油,、不可冷凝氣體和生物質[3,，4]。
1.2 熱解反應基本過程
根據(jù)熱解過程的溫度變化和生成產物的情況等,， 可以分為干燥階段,、預熱解階段、固體分解階段和煅燒階段,。
1.2.1 干燥階段（溫度為120～150℃）,，生物質中的水分進行蒸發(fā)，物料的化學組成幾乎不變,。
1.2.2 預熱解階段（溫度為150～275℃）,，物料的熱反應比較明顯，化學組成開始變化,，生物質中的不穩(wěn)定成分如半纖維素分解成二氧化碳,、一氧化碳和少量醋酸等物質,。上述兩個階段均為吸熱反應階段。
1.2.3 固體分解階段（溫度為275～475℃）,，熱解的主要階段,，物料發(fā)生了各種復雜的物理、化學反應,，產生大量的分解產物,。生成的液體產物中含有醋酸、木焦油和甲醇（冷卻時析出來）,；氣體產物中有CO2,、CO、CH4,、H2等,，可燃成分含量增加。這個階段要放出大量的熱,。
1.2.4 煅燒階段（溫度為450～500℃）,，生物質依靠外部供給的熱量進行木炭的燃燒，使木炭中的揮發(fā)物質減少,，固定碳含量增加,，為放熱階段。實際上,，上述四個階段的界限難以明確劃分,，各階段的反應過程會相互交叉進[5，6],。
2 熱解工藝及影響因素
2.1 熱解工藝類型
從對生物質的加熱速率和完成反應所用時間的角度來看,，生物質熱解工藝基本上可以分為兩種類型：一種是慢速熱解，一種是快速熱解,。在快速熱解中,，當完成反應時間甚短（＜0.5s）時，又稱為閃速熱解,。根據(jù)工藝操作條件,，生物質熱解工藝又可分為慢速、快速和反應性熱解三種,。在慢速熱解工藝中又可以分為炭化和常規(guī)熱解[5],。
慢速熱解（又稱干餾工藝、傳統(tǒng)熱解）工藝具有幾千年的歷史,，是一種以生成木炭為目的的炭化過程,，低溫干餾的加熱溫度為500～580℃，中溫干餾溫度為660～750℃,， 高溫干餾的溫度為900～1100℃,。將木材放在窯內，在隔絕空氣的情況下加熱,，可以得到占原料質量30%～35%的木炭產量,。
快速熱解是將磨細的生物質原料放在快速熱解裝置中，嚴格控制加熱速率（一般大致為10～200℃/s）和反應溫度（控制在500℃左右）,， 生物質原料在缺氧的情況下,，被快速加熱到較高溫度,，從而引發(fā)大分子的分解,，產生了小分子氣體和可凝性揮發(fā)分以及少量焦炭產物?？赡該]發(fā)分被快速冷卻成可流動的液體,，成為生物油或焦油，其比例一般可達原料質量的40%～60%,。
與慢速熱解相比,，快速熱解的傳熱反應過程發(fā)生在極短的時間內，強烈的熱效應直接產生熱解產物,，再迅速淬冷,，通常在0.5s內急冷至350℃以下，最大限度地增加了液態(tài)產物（油）,。
常規(guī)熱解是將生物質原料放在常規(guī)的熱解裝置中,，在低于600℃的中等溫度及中等反應速率（0.1～1℃/s）條件下，經過幾個小時的熱解,，得到占原料質量的20%～25%的生物質炭及10%～20%的生物油[7～9],。
