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生物質熱化學轉換技術概況
發布時間: 2018-6-29 10:20:21
  天然的生物質燃料除了含有大量燃燒后產熱的碳氫元素外,還含有硫等有害物質,直接燃用時不僅產熱效率低,而且伴隨大量煙塵,造成環境污染。因此,一直以來人們都在試圖通過提高生物質燃料的品質或改進使用方式,使其使用更為方便、干凈,也更有效率。早在商代,我國就出現了木炭燒制技術,即將木頭點燃后隔絕空氣,使木材在熱作用下析出揮發組分,留下的木炭不但發熱值較高,而且燃用時不再冒煙。這實際上就是生物質高效率利用的開端。
  為了提高生物質顆粒燃料的利用效率,人們采用生物質能轉化利用方法使生物質能轉變為可燃氣、生物油等高能量密度產品。常見的生物質能轉化利用方法主要有物理轉化法、化學轉化法、生物轉化法(微生物法)3種,其中化學轉化法又分為化學處理法、熱化學轉化法兩種。熱化學轉化技術是將低品位能源通過各種化學手段轉變成能量密度高的高質量能源的最有效方法。隨著社會對生物質能源的認識和熱化學轉化工藝的拓展,熱化學轉換技術已經成為生物質能源利用的重要方法,被廣泛應用于生物質能發電、生產生物質燃油等領域。
一、生物質熱化學轉換技術的定義與現狀
  生物質能利用相對于其他礦物能源主要存在以下三個問題,一是生物質能源屬能量密度較低的低品位能源,作為燃料與礦物能源相比不具優勢;二是生物質原料質量輕,體積大,給運輸帶來一定難度;三是風、雨、雪、火等外界因素為它的保存帶來不利條件。針對這三個問題,結合當代以石化燃料為主的化工和能源技術,提出了將生物質轉換為常規和高能燃料物質的技術體系,其中最有效的技術體系即為生物質熱化學轉換技術。
  生物質熱化學轉換技術是指在加熱條件下,用化學手段將生物質轉換成燃料物質的技術,如通過燃燒、氣化、熱解及液化等技術,提高生物質能原料的燃燒效率和將其轉換為可燃氣體、生物油等。
二、生物質熱化學轉換技術發展現狀
  根據生物質能利用的方式和原料轉換類型,生物質熱化學轉換技術可分為直接燃燒、氣化、熱裂解和加壓液化4種撞術體系。每種技術均建有完整的技術體系,開發出了相應的設備和運轉參數,并產生各自的產物。生物質熱化學轉換技術及產品如圖4.1所示。
  生物質的直接燃燒技術是最普通也是最常用的生物質能轉換技術,始自人類學會用火的遠古時代。該技術是指燃料中的可燃成分和氧化劑(一般為空氣中的氧氣)進行化合的化學反應過程,在反應過程中強烈放出熱量,并使燃燒產物的溫度升高,從而為生活和生產提供熱量。該技術中最為關鍵的就是生物質中可燃成分的完全充分燃燒,因此直接燃燒技術體系的發展主要在于提高生物質燃燒效果,如借助鍋爐等設備提高燃料燃燒比表面積或者通過不同燃值燃料的配伍參混達到共燃。目前常見的直接燃燒技才主要有鍋爐燃燒技術和混燃技術兩個技術體系。鍋爐燃燒技術又有固定床、流化床和崩泡床3種方式,混燃技術也有直接參混、平行參混和間接參混3種方式。
  圖1 生物質熱化學轉換技術及產品
  
  生物質氣化技術是指將固體或液體燃料轉化為氣體燃料的熱化學過程。該技術是利用空氣中的氧氣或含氧物質作氣化劑,通過部分氧化作用,將生物質中的碳氧化生成可燃氣體混合物、一小部分結焦和可壓縮成分的過程。該技術的發展已有近百年歷史,被認為是生物質能利用的最佳方式之一,也常被用于處理固體廢棄物。該技術的發展立足于提高生物質原料氣化效果,主要是從優化氣體產物的組成和提高氣化效率兩個方面出發。目前常用氣化技術及相應設備品種較多,大致可從氣化介質、反應壓力和反應器類型三個方面開發和選型。氣化介質可分為空氣氣化、氧氣氣化和水蒸氣氣化3種;反應壓力可分為常壓和增壓;反應器分為固定床反應器和流化床反應器,其中流化床反應器又可分為鼓泡床、循環流化床和雙床系統。
  生物質熱裂解技術是指生物質在隔絕或者供給少量氧氣條件下熱處理,利用熱能將生物質大分子中的化學鍵打斷并形成小分子物質的加熱分解過程。每個熱解過程均含有氣體(生物質燃氣)、液體(生物質燃油)和固體(生物質炭)3種產物組分,而組分比例取決于熱裂解工藝和反應條件。該技術的重點在于得到合適的產物組分,根據實際需要調節熱解條件。
  目前常用的熱裂解技術主要有快速熱解、慢速熱解、瞬間熱解和催化熱解4種。一般來說。快速熱解主要產物為生物質油,慢速熱解主要產物為生物質炭,瞬間熱解主要產物為生物質氣,而催化熱解可得到含氧和水量均較低的生物質油,由于品質更優,可直接作為運輸燃油。
  生物質液化技術是指在低溫、高壓和催化劑條件下對生物質進行熱處理,使其在水或其他溶劑中斷裂成活潑小分子后重新聚合形成油狀化合物的過程。該技術在生物質大分子分解成小分子過程中加入溶劑,使高活性小分子被溶解在液相溶劑中,有利于實現進一步的催化加工,從而使生物質分解產物得到更有效和高值化的利用,不僅可用于液體燃料,還可用于制備緩釋劑和黏結劑等高附加值化工產品。目前常用的液化技術主要有直接液化、間接液化和液化精煉3種,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,間接液化有經合成氣制備再液化和費.托合成兩種,而液化精煉的液化深3Hq-技術主要有催化加氫、催化裂解和化學改性等。這些深加工技術的引入,使液化得到的液體產物的高位熱值顯著高于熱裂解技術,但加壓成本顯著升高又限制了其商業化應用。
  直接燃燒技術作為最傳統和普遍的生物質利用技術,在眾多生物質顆粒燃料利用書籍中均有詳細介紹,且技術發展較為成熟,更新較少,本書就不予贅述;生物質液化技術由于在后面的生物柴油、乙醇等章節中均有體現,本章不壬介紹;生物質氣化技術和熱裂解技術涉及了固體生物質狀態變化,不僅產生高儲能的氣態和液態小分子化合物,大大提高了燃燒效率,還可以結合有害元素去除設備而使生物質能成為清潔能源。
 
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