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生物质热化学转换技术概况
发布时间: 2018-6-29 10:20:21
  天然的生物质燃料除了含有大量燃烧后产热的碳氢元素外,还含有硫等有害物质,直接燃用时不仅产热效率低,而且伴随大量烟尘,造成环境污染。因此,一直以来人们都在试图通过提高生物质燃料的品质或改进使用方式,使其使用更为方便、干净,也更有效率。早在商代,我国就出现了木炭烧制技术,即将木头点燃后隔绝空气,使木材在热作用下析出挥发组分,留下的木炭不但发热值较高,而且燃用时不再冒烟。这实际上就是生物质高效率利用的开端。
  为了提高生物质颗粒燃料的利用效率,人们采用生物质能转化利用方法使生物质能转变为可燃气、生物油等高能量密度产品。常见的生物质能转化利用方法主要有物理转化法、化学转化法、生物转化法(微生物法)3种,其中化学转化法又分为化学处理法、热化学转化法两种。热化学转化技术是将低品位能源通过各种化学手段转变成能量密度高的高质量能源的最有效方法。随着社会对生物质能源的认识和热化学转化工艺的拓展,热化学转换技术已经成为生物质能源利用的重要方法,被广泛应用于生物质能发电、生产生物质燃油等领域。
一、生物质热化学转换技术的定义与现状
  生物质能利用相对于其他矿物能源主要存在以下三个问题,一是生物质能源属能量密度较低的低品位能源,作为燃料与矿物能源相比不具优势;二是生物质原料质量轻,体积大,给运输带来一定难度;三是风、雨、雪、火等外界因素为它的保存带来不利条件。针对这三个问题,结合当代以石化燃料为主的化工和能源技术,提出了将生物质转换为常规和高能燃料物质的技术体系,其中最有效的技术体系即为生物质热化学转换技术。
  生物质热化学转换技术是指在加热条件下,用化学手段将生物质转换成燃料物质的技术,如通过燃烧、气化、热解及液化等技术,提高生物质能原料的燃烧效率和将其转换为可燃气体、生物油等。
二、生物质热化学转换技术发展现状
  根据生物质能利用的方式和原料转换类型,生物质热化学转换技术可分为直接燃烧、气化、热裂解和加压液化4种撞术体系。每种技术均建有完整的技术体系,开发出了相应的设备和运转参数,并产生各自的产物。生物质热化学转换技术及产品如图4.1所示。
  生物质的直接燃烧技术是最普通也是最常用的生物质能转换技术,始自人类学会用火的远古时代。该技术是指燃料中的可燃成分和氧化剂(一般为空气中的氧气)进行化合的化学反应过程,在反应过程中强烈放出热量,并使燃烧产物的温度升高,从而为生活和生产提供热量。该技术中最为关键的就是生物质中可燃成分的完全充分燃烧,因此直接燃烧技术体系的发展主要在于提高生物质燃烧效果,如借助锅炉等设备提高燃料燃烧比表面积或者通过不同燃值燃料的配伍参混达到共燃。目前常见的直接燃烧技才主要有锅炉燃烧技术和混燃技术两个技术体系。锅炉燃烧技术又有固定床、流化床和崩泡床3种方式,混燃技术也有直接参混、平行参混和间接参混3种方式。
  图1 生物质热化学转换技术及产品
  
  生物质气化技术是指将固体或液体燃料转化为气体燃料的热化学过程。该技术是利用空气中的氧气或含氧物质作气化剂,通过部分氧化作用,将生物质中的碳氧化生成可燃气体混合物、一小部分结焦和可压缩成分的过程。该技术的发展已有近百年历史,被认为是生物质能利用的最佳方式之一,也常被用于处理固体废弃物。该技术的发展立足于提高生物质原料气化效果,主要是从优化气体产物的组成和提高气化效率两个方面出发。目前常用气化技术及相应设备品种较多,大致可从气化介质、反应压力和反应器类型三个方面开发和选型。气化介质可分为空气气化、氧气气化和水蒸气气化3种;反应压力可分为常压和增压;反应器分为固定床反应器和流化床反应器,其中流化床反应器又可分为鼓泡床、循环流化床和双床系统。
  生物质热裂解技术是指生物质在隔绝或者供给少量氧气条件下热处理,利用热能将生物质大分子中的化学键打断并形成小分子物质的加热分解过程。每个热解过程均含有气体(生物质燃气)、液体(生物质燃油)和固体(生物质炭)3种产物组分,而组分比例取决于热裂解工艺和反应条件。该技术的重点在于得到合适的产物组分,根据实际需要调节热解条件。
  目前常用的热裂解技术主要有快速热解、慢速热解、瞬间热解和催化热解4种。一般来说?焖偃冉庵饕镂镏视,慢速热解主要产物为生物质炭,瞬间热解主要产物为生物质气,而催化热解可得到含氧和水量均较低的生物质油,由于品质更优,可直接作为运输燃油。
  生物质液化技术是指在低温、高压和催化剂条件下对生物质进行热处理,使其在水或其他溶剂中断裂成活泼小分子后重新聚合形成油状化合物的过程。该技术在生物质大分子分解成小分子过程中加入溶剂,使高活性小分子被溶解在液相溶剂中,有利于实现进一步的催化加工,从而使生物质分解产物得到更有效和高值化的利用,不仅可用于液体燃料,还可用于制备缓释剂和黏结剂等高附加值化工产品。目前常用的液化技术主要有直接液化、间接液化和液化精炼3种,其中直接液化又有苯酚液化、多元醇液化和直接快速裂解之分,间接液化有经合成气制备再液化和费.托合成两种,而液化精炼的液化深3Hq-技术主要有催化加氢、催化裂解和化学改性等。这些深加工技术的引入,使液化得到的液体产物的高位热值显著高于热裂解技术,但加压成本显著升高又限制了其商业化应用。
  直接燃烧技术作为最传统和普遍的生物质利用技术,在众多生物质颗粒燃料利用书籍中均有详细介绍,且技术发展较为成熟,更新较少,本书就不予赘述;生物质液化技术由于在后面的生物柴油、乙醇等章节中均有体现,本章不壬介绍;生物质气化技术和热裂解技术涉及了固体生物质状态变化,不仅产生高储能的气态和液态小分子化合物,大大提高了燃烧效率,还可以结合有害元素去除设备而使生物质能成为清洁能源。