几种生物质热解转化
摘要：生物质热解是指在隔绝空气或供给少量空气的条件下，通过热化学转换，将生物质转变成为木炭、液体和气体等低分子物质的过程。主要讲解生物质的国内外现状，生物质研究的意义和作用，生物质的热解反应器类型，生物质的实验结论等等。 Biomass pyrolysis refers to the process of transforming biomass into low molecular substances such as charcoal, liquid and gas through thermochemical conversion under the condition of air isolation or a small amount of air supply. It mainly introduces the current situation of biomass at home and abroad, the significance and role of biomass research, the types of biomass pyrolysis reactor, the experimental conclusions of biomass，etc.
关 键 词：现状 作用 类型
Key word：Present situation Effect Type
-
前言
随着我国科学技术的快速发展，我国的能源消耗开始大幅度上升，对于资源的需求量也越来越大。根据调查，我国目前能源年消耗量至少占世界总能总消耗量的20%，并且一直保持上升的趋势。但是我国生物种类丰富，据调查，我国有油料植物有1554种，其中种子含油量大于40%的植物有154种。同时，我国的可开发生物质的资源总量约为7t标准煤，其中农作物秸秆3.5亿t左右，占50%。【1】我国是一个以农业为主的大国，每年农业的废弃物比世界上任意一个国家都要多。因此，我国现阶段的重要任务之一就是对于生物质能源的开发和利用。这不但可以增加农民的收入，还可以更好的保护环境，解决国家资源短缺的一些问题。
2.国外现状
1.对于美国，生物质能源的开发利用已经达到了一个比较成熟的阶段。根据调查发现，美国目前生物质发电的总装机容量已经超过100MW，单机容量达10～25MW，生物质能利用占一次能源消耗总量的4%左右。尤其在沼气发电领域，美国已经处于世界领先水平。纽约的斯塔藤垃圾处理站，采用湿法处理垃圾，回收沼气，这不仅可以得到发电带来的效益，也可以用于制作肥料，从而带来双重效益。美国西肯塔基大学开发了一种新型的生物质空气气化生产高热值低焦油燃气技术，这个技术的优点在于焦油含量很低，碳转化率和气化效率较高。2.对于加拿大来说，生物质能源利用开发技术同样已经很先进。加拿大西安大略大学开发的生物质直接超短接触液化技术大规模工业化生产成本已经非常低，提高了厂子的效益，这也是生物质能源的开发的一大突破。【1】
3.国内现状
中国在生物质能源利用和开发上，目前处于一种初级阶段。和美国相比，还有一定的差距。但是中国也在不断的继续研究开发，近些年来取得了一些小发展。尤其在生物质能源生物质气化方面。1.中国科学院广州能源研究所对于循环流化床气化发电方面花费很大的经历进行研究，并且取得了一些进展，比如目前已经建设并运行了多套气化发电系统等等其它。2.中国林业科学院林产化学工业研究所在生物质流态化气化技术、内循环锥形流化床富氧气化技术方面取得了一些进展。3.西安交通大学对生物质超临界催化气化制氢方面作为研究对象，虽然目前还没有太大的进展。4.中国科技大学进行了生物质等离子体气化、生物质气化合成技术的研究。5.山东大学对固定床气化技术进行了研究，目前得到一点小成就。
我国的气化技术发展较好，目前这项技术开始进行使用，但是由于投资较少，比较适合在农村大面积投入使用，这样可以减少成本，获得更大的经济利益。
对于生物质固化成型方面，我国从上个世纪就开始了对于成型燃料的研究。我国还从国外引进了一部分先进的成型机进行研究，通过反复研究，研发出适合我国国情的生物质成型机，用来生产生物质成型燃料。总体来看，目前我国的生物质固化成型装备与美国等有着先进技术的国家相比还有不小的差距。我国生物质热解液化技术的研究更是处于刚刚研究的初级阶段。但不意味着将一直处于初级阶段。其中，中国科技大学研制了一种电热式快速流化床生物质热解液化设备，这个可以用于各种固体生物质的液化。【1】
4生物质的意义和作用
1.符合了我国的政策，坚持可持续绿色发展。奉行全球低碳，环保，绿色的新经济理念。2.废弃物利用，充分利用资源，达到节能。3.减少了对环境的破坏。4.生物质可以用来发电，是可再生的能源发电的一种。通过生物质不仅可以变废为宝，保护生态环境，同时还可以带动当地经济的发展，提高当地居民生活水平。5.生物质可以用作成型燃料.物质成型燃料有着两方面的发展优势：一方面，生物质燃料，有着热值高、适用范围广、成本低这些优点，可以直接在燃煤锅炉中使用，取代煤炭，是解决燃煤锅炉排放不达标的方法之一。同时，国家对生物质成型燃料应用推广提供政策上的支持。【3】【12】6.生物质还可以用作气体和液体燃料。气体一般是生成为天然气。生物质液体燃料可以代替柴油，重油，天然气等等。而且它的原材料比较丰富，容易获取。【13】
5.生物质热解转换
5.1原因：生物质热解是指在隔绝空气或少量空气的条件下，通过热化学转换，将生物质转变成为液体和气体等低分子物质的过程。【2】【4】生物质热解技术可以获得更大经济利益的原因是因为这种生物质热解技术能够以较低的成本、将一些难以处理的生物质转化为气、液、固产物，这样方便储存和运输生物质。同时还能从生物油中提取其他价值高的物质，增加了经济效益以及其它。
5.2方法：
（1）慢速热解
主要用于木炭的烧制，生物质在极低升温速率，在高温下下长时间热解，可得到的产量大约0.35左右的焦炭。因此慢速热解也被称为生物质的炭化。
（2）常规热解
将生物质原料放入常规热解装置中，在低温的情况下、较低加热速率、热解产物停留时间短暂几秒下热解，可制成相同比例的气体、液体和固体产品。
（3）快速热解
快速热解是将磨细的生物质原料放入快速热解装置中，生物质在常压、超高加热速度、超短产物停留短暂时间、适中热解温度下瞬间气化，然后快速凝结成液体，可获得比较大的液体产率，其产物中的生物油一般可以达到原料重量的一半左右。【5】 6.生物质的热解反应器
1.循环流化床反应器
循环流化床反应器的工作原理是，热载体砂子伴随着副产物固态焦炭一起被气体吹出反应器，进入焦炭燃烧室，焦炭在燃烧室中燃烧释放热量加热砂子，经加热的砂子再返回反应器为生物质热解提供所需要热量，这样构成了一个完整的循环过程。
在加拿大大学研究开发的循环流化床反应器，以杨木作为原料，在高温下发生热解。该反应器主要优点是：1.结构相对紧凑，选用砂子作为热载体，砂子的热容比较大，所以它对于生物质颗粒进行热传导的效率较高，同时还可以有效的提高反应器的处理能力。2.生物质热解反应生成的气态产物在反应器内的停留时问很短，可有效的避免生物油产量下降。但其有明显不足：1.生物质热解反应动力学较为复杂，由此导致对生物质热解过程控制较为困难。2.由于反应需要使用大量的载气，由此导致热解工艺后续的热解气冷凝会有较大的困难，同时也会造成大量的能量损失。【6】
2.旋转锥反应器
旋转锥反应器的工作原理:在旋转锥生物质热解工艺流程中，物料生物质颗粒和惰性热载体石英砂一同喂入旋转锥反应器的底部，物料生物质颗粒会在反应器内螺旋上升，在上升的过程中生物质颗粒会吸热迅速加热，进行裂解反应，产物裂解气经导出管进人旋风分离器，将产物固态焦炭与裂解气分离，通过冷凝器冷凝为液态生物油，固态产物焦炭进入燃烧室燃烧，加热热载体石英砂，为热解反应提供热量。旋转锥反应器的优点1.旋转锥反应器一般不需要载气2.结构紧凑减少成本，缺点：旋转锥反应器要求生物质颗粒粒径较小，设备复杂不容易放大。【7】 3.烧蚀涡旋反应器
烧蚀涡旋反应器是由美国可再生资源实验室研究开发的生物质热解反应器。在烧蚀涡旋生物质热解工艺流程中，物料生物质颗粒通过使用过热蒸汽或氮气气流携带进入反应器，沿着切线方向进人涡旋反应器的反应管内，生物质颗粒在受到高速离心力作用下，生物质颗粒在反应器的高温壁面上发生剧烈的裂解反应，残留在反应器壁面上的产物生物油油膜会快速的蒸发，而未完全反应的生物质颗粒经过循环回路重新连续地热解。优点：1.烧蚀反应器对物料生物质颗粒粒径要求不高。原因：在该反应器内，物料生物质颗粒在外力下，经过高速的与反应器管壁运动摩擦，颗粒粒径不断变小。目前遇到最大的难题：如何使物料生物质颗粒与高温壁面在具有一定相对运动速度的情况下紧密接触而不脱离。这个也是目前世界各国正在解决的一大难题。【10】 4.下吸式移动床反应器
反应器炉管真空度是通过热解反应原料的处理量调节，进而可控制生物质原料在炉管内停留时间和裂解程度，从而有效地防止裂解气发生二次裂解造成产物生物油产量下降问题的发生，同时防止炉管堵塞问题的发生。该反应器使用生物质热解生成的不可凝气体作为热源对反应器内生物质颗粒进行的加热，避免使用熔盐或石英砂等惰性热载体造成热裂解过程中传热不均和炉管堵塞等问题的发生。
7.生物质热裂解实验及其结论
（1）我国的废弃物主要有玉米秸秆，小麦秸秆。专家根据玉米秸秆和小麦秸秆的化学组成提出了用平行一级反应模型来模拟它们在热分析仪中的热解反应过程。【11】最终以此为实验得出了三个结论：
1.小麦秸秆，玉米秸秆热解试验微分热重曲线表明，在一定的升温度率下，小麦秸秆、玉米秸秆的热解的特性基本一致。2.随升温速率的提高，热解最高速率时的温度和热解最高速率明显提高。
（2）专家们在应用能够降解纤维素和木质素的单菌株对玉米秸杆和白酒糟进行发酵处理的基础上，选出优良菌株进行复合菌株发酵处理．并比较它们的处理效果，最终选出最佳组合菌株．为提高纤维素类废物的综合利用效率，降低对环境的污染提供科学依据。【8】根据此实验得出以下的结论:
1.通过对发酵处理后的玉米秸秆和白酒糟的分析，玉米秸秆经发酵处理后粗蛋白、真蛋白和主要氨基酸总量比发酵处理前有了很明显的提高。白酒糟经发酵处理后粗蛋白、真蛋白和主要氨基酸总量也比发酵处理前也有了很明显的提高，而且他们都具有较高的半纤维素酶和纤维素酶活性，而且也进一步提高了消化率。2.玉米，秸秆这些生物质经过加工，可以使得其中的营养成分更多，所以可作为蛋白饲料加以利用，解决蛋白饲料的严重不足，缓解人畜争粮，促进我国畜牧业发展，这不仅有利于资源的有效利用，而且能减轻环境污染，变废为宝，这不仅可以得到经济效益，同时也可以更好的改善环境。
（3）专家们通过燃烧秸秆，对于秸秆的热性分析及其动力学研究实验。【9】由此而得出以下的一些结论：
⑴从专家给出的实验中，我们可以将秸秆热分解分为4个阶段:干燥阶段、过渡阶段、热解阶段、炭化阶段。升温速率的增加，第一阶段的终止温度相似，第二至四阶段中，随升温速率的提高，热解起始速度，质量损失速率最大时候的终止温度、最大质量损失率均提高。 ⑵随升温速率的增加，秸秆的挥发分析出燃烧温度与固定炭燃烧温度都随之变大。升温速率的增加对燃烧的影响不是线性的，在一定范围内升温速率越严重，燃烧的延迟越严重，随着升温速率的增加，挥发份的析出燃烧和固定碳的燃烧速度都增大。随着升温速率的增加，挥发分的析出延迟;升温速率的增大，秸秆燃烧速度增大，效益增大。(3) 不同升率下所得热解和燃烧的动力学参数有所不同，但是活化能和频率因子均随升温速率的增加而增大;无论是热解反应还是燃烧反应，随着升温速率的增加，反应所需的活化能也在增加，表明升温速率高的反应比升温速率低的反应更难进行，对比热解和燃烧所需的活化能，发现热解比燃烧所需的活化能低，表明热解反应比较容易进行。(4)通过对比不同种类的秸秆燃烧与热解的特性发现:同一地区的玉米秆、稻秆和麦秆3种生物质的热解与燃烧规律基本一致。
8.结束语
生物质作为一种可再生资源，目前全世界对它的研究还未达到成熟的阶段，中国对于生物质的研究相比于其它国家起步较晚，所以应该更加努力的去研究生物质。当前的资源又比较缺少，生物质作为可再生，绿色环保的新能源，中国应该紧紧抓住这一条线，秸秆作为生物质能源的主要部分，更应该好好利用，将其发挥最大的作用。通过生物质热解技术生产生物油，让生物油可以代替石油以及其它一些一次能源，能有效的缓解由化石能源短缺而造成的能源危机问题以及其它一次能源缺少所带来的危机。生物质能源具有巨大的发展潜力。所以中国要加大资金人力物力在研究生物质上面，同时也要对外学习关于生物质能源研究开发的先进技术，综合我国国情，取其精华，去其糟粕。
参考文献
- 董玉平，王理鹏，邓波等。《国内外生物质能源开发利用技术》
- 王树谷。《浅议生物质热裂解技术现状发展》
- 李日强，席玉英，曹志亮等。《纤维素类废弃物综合利用》
- 解海卫，张晶，张艳等。《生物质热裂解及其动力研究》
- 马林转，何屏，王华等。《生物质热裂解实验研究》
- 王伟文，吴国鑫，张自生。《生物质热解研究进展》
- 陈东雨，刘荣厚。《葵花秆的热解动力学研究》
- 冉二君，刘梅英，牛智有。《4种生物质秸秆的热解性及其动力学研究》
- 张涵斌等。《秸秆热解.燃烧特性及动力学研究》
- 姚福生，何芳，蔡均猛等。《坚果壳类生物质慢速热解动力学分析》
- 何芳，易维明，孙容峰等。《小麦和玉米秸秆热解反应与热解动力学分析》
- Alberto J T,Yang Weihong，Wlodzimierz.B.Pyrolysis and global kinetics of coconut and cashew nut shells[J].Fuel Processing Technology,2006,87(6):523-530
- Osvalda S.Kinetics of pyrolysis combustion and gasification of three biomass fuels[J].Fuel Processing Technology ,2007,88(1）：87-97
资料编号：[249957]
剩余内容已隐藏，您需要先支付 10元 才能查看该篇文章全部内容！立即支付
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
