生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用研究現(xiàn)狀與發(fā)展

羅先智，周東一，吳源泉，袁嘉煒，萬 華，尹向群

（1.邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽422000；2.邵陽學(xué)院高效動力系統(tǒng)智能制造湖南省重點實驗室，邵陽，422000；3.廈門航空酒店管理有限公司，福建 廈門361000；4.國家能源集團(tuán)寶慶煤電有限公司，湖南 邵陽422000）

快速的工業(yè)化和社會生活水平的提高導(dǎo)致對能源的需求也在增加，以化石燃料為主要來源。化石燃料的大量消費(fèi)會導(dǎo)致資源的枯竭、空氣的污染、全球氣候變暖以及對環(huán)境造成不可挽回的損害。因此，開發(fā)利用可再生能源，從而促進(jìn)能源的可持續(xù)性發(fā)展，減少全球環(huán)境問題，已成為解決能源問題的戰(zhàn)略選擇。生物質(zhì)是一種很有前景的綠色燃料，地球上生物資源非常豐富，植物經(jīng)過光合作用每年大約生成總量1440 億～1700 億噸（干重）的生物質(zhì)。但是目前對生物質(zhì)利用率還很低，大多是單純?nèi)紵耶?dāng)生物質(zhì)直接用作生物燃料時，它面臨著幾個嚴(yán)重的問題，例如高的水分和氧氣含量，低的熱值以及高度可變的組成和性能[1]，因此尋找更加高效的利用方式是我們目前應(yīng)該解決的難題。生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是使用生物質(zhì)作為生物燃料克服上述問題的可行途徑。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的主要目標(biāo)是通過優(yōu)化過程參數(shù)來減少不需要的副產(chǎn)物。在熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中應(yīng)用熱和化學(xué)過程來生產(chǎn)高質(zhì)量和高能量密度的生物燃料。常見的生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用包括液化、熱解、氣化和燃燒。

1 生物質(zhì)的熱解

熱解是在無氧或少氧條件下加熱生物質(zhì)，破壞有機(jī)物聚合物的結(jié)合狀態(tài)，將其分解為低分子物質(zhì)，并發(fā)生小分子合成大分子的過程，熱解過程可以同時得到液（生物油）、氣（熱解氣）和固（生物炭）三相反應(yīng)產(chǎn)物。熱解技術(shù)適用對象廣泛，下圖是生物質(zhì)熱解過程。

圖1 生物質(zhì)熱解及其產(chǎn)物的應(yīng)用

辛子揚(yáng)等[2]從生物油、可燃?xì)怏w和高附加值碳材料三個方面闡述了如何通過微波手段提高生物油的品質(zhì)、獲得最大產(chǎn)率和富含H2、CO 的可燃?xì)怏w以及制備高附加值材料的清潔碳源。劉燦等[3]研究了不同煙草生物質(zhì)熱解時釋放致香物質(zhì)的異同，發(fā)現(xiàn)升高熱解溫度有利于獲得相對較高含量的熱解成分，且提高熱解溫度利于產(chǎn)生酮類致香物質(zhì)。Li 等[4]通過使用FeCl3作為催化劑對生物質(zhì)廢物進(jìn)行催化熱解發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素衍生炭的表面活化能從73.29mNm-1明顯降低至19.25mNm-1，且水接觸角增大，從而容易地合成超疏水性碳材料。張瑞璞等[5]分析了玉米稈和準(zhǔn)東煤共熱解特性，發(fā)現(xiàn)玉米稈與準(zhǔn)東煤共熱解時存在協(xié)同作用，當(dāng)玉米稈與準(zhǔn)東煤的摻混比小于0.4 時，玉米稈的添加可以促進(jìn)樣品的熱解失重，且摻混比等于0.2時促進(jìn)作用最好。綜上所述，通過對實驗樣品進(jìn)行微波預(yù)處理或添加催化劑以及與其他化石燃料共熱解等手段可以獲得更優(yōu)質(zhì)的熱解產(chǎn)物。

2 生物質(zhì)燃燒

燃燒是應(yīng)用最廣泛的生物質(zhì)轉(zhuǎn)換方式，但生物質(zhì)燃料的含水率和氧含量比較高，因此生物質(zhì)直接燃燒產(chǎn)生的熱值要遠(yuǎn)低于化石能源的熱值，這導(dǎo)致生物質(zhì)的利用率降低。由于不同生物質(zhì)之間以及生物質(zhì)與化石燃料之間的潛在的協(xié)同作用可能是抵消生物質(zhì)直接燃燒時存在的問題的可行方法[6]，近幾年有關(guān)生物質(zhì)與其他燃料共燃的研究迅速增加。

Areeprasert 等[7]將造紙污泥與兩種不同等級的煤共燃，發(fā)現(xiàn)兩者共燃不但降低了燃煤中NOx的排放，還減少了未燃盡碳損失。且經(jīng)水熱處理的紙污泥與煤混合燃燒的性能更好。Chang 等[8]研究了稻草和木材與煤共燃，結(jié)果表明木材具有較高的熱值而灰分較少，比稻草更適合與煤共燒。烘焙可以提高生物質(zhì)的熱值并使其性質(zhì)均勻，有利于共燒。這些發(fā)現(xiàn)將有助于固體生物燃料/煤共燃燃燒的合理設(shè)計和合理運(yùn)行，以促進(jìn)生物質(zhì)和相關(guān)生物廢物材料的共燃應(yīng)用。尹艷山等[9]研究了玉米秸稈和造紙污泥及其混合物的燃燒動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)在造紙污泥的摻混比為20%和50%時發(fā)生了相互作用且在20%時共燃的綜合燃燒特性指數(shù)最高的和平均活化能最低。王華山等[10]研究了不同煤和生物質(zhì)共燃特性，發(fā)現(xiàn)兩者共燃時煤的燃燒性能有所改善；提高升溫速率，混合物的反應(yīng)活化能進(jìn)一步降低且綜合燃燒特性指數(shù)增大。

因此，在實際應(yīng)用中需要將生物質(zhì)與其他燃料以合適的比例混合，合適的反應(yīng)條件，共燃才能達(dá)到最好的效果。

3 生物質(zhì)氣化

生物質(zhì)氣化是將生物質(zhì)加熱到700℃以上以獲得氣體產(chǎn)物，該氣體產(chǎn)物也可以轉(zhuǎn)化為液體運(yùn)輸燃料。下圖是生物質(zhì)的氣化過程。

圖2 生物質(zhì)氣化過程圖

高嘉楠等[11]介紹了生物質(zhì)氣化的基本原理以及氣化工藝類型，分析了幾種類型氣化爐的工作原理和優(yōu)缺點。M. Shahabuddin 等[12]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)和殘留廢物由于其可再生性和低碳性而適用于合成航空燃料并比較了幾種適用于從生物質(zhì)和固體廢物的氣化生產(chǎn)航空燃料的氣化技術(shù)，分析結(jié)果表明流化床氣化技術(shù)由于它可以按比例放大到大容量的能力處于首選地位。Ishaq[13]提出了一種基于生物質(zhì)氣化的熱電發(fā)電機(jī)集成系統(tǒng)。分析和驗證了所提出的基于生物質(zhì)氣化的系統(tǒng)中熱電發(fā)電機(jī)的新型集成，并討論了在降低碳排放量的情況下提高效率和能源使用的可能性。Ren 等[14]闡明了生物質(zhì)氣化和合成氣甲烷化的發(fā)展，介紹了氣化過程中常見的反應(yīng)器以及用于氣化和合成氣甲烷化的先進(jìn)活性催化劑。并提出了發(fā)展焦油裂解和新型催化劑以促進(jìn)氣化過程的清潔和高效運(yùn)行。劉志章等[15]討論了生物質(zhì)氣化技術(shù)在燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能改造中的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)以木片為生物質(zhì)氣化原料的經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，蒸汽成本只有天然氣鍋爐的一半左右，投資回收期不到半年，市場潛力很大，表明該項目運(yùn)行具有良好的發(fā)展前景。

4 生物質(zhì)液化

生物質(zhì)液化是在一定的溫度和壓力下把固態(tài)生物質(zhì)在溶劑（有機(jī)物或水）中解聚得到液態(tài)產(chǎn)物（生物油）。液化技術(shù)可以將高含水率（70%以上）的生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為生物原油，極具潛力，近幾年引起了人們的廣泛關(guān)注。

圖3 生物質(zhì)水熱液化圖

Demirbas 等[16]研究了木質(zhì)素含量不同的生物質(zhì)的液化，發(fā)現(xiàn)隨著木質(zhì)素含量的增加，油的產(chǎn)率降低，而焦炭的產(chǎn)率提高。Breunig 等[17]研究了使用不同的非均相催化劑和不同木質(zhì)素類型的生物質(zhì)液化。結(jié)果表明木質(zhì)素和富含木質(zhì)素的生物質(zhì)可在使用鉬酸和硫化鐵催化劑的條件下被液化，可以很好地獲得液態(tài)油產(chǎn)品。Mathanker 等[18]研究了玉米秸稈的水熱液化（HTL），發(fā)現(xiàn)在300℃，2200psi 的終壓和保留0 分鐘時重油產(chǎn)率最高。在350℃，終壓為3150psi 和保留15 分鐘時烴類收率最高。重油的GC-MS 分析結(jié)果表明大多數(shù)都是酚類化合物。申瑞霞等[19]闡述了生物質(zhì)水熱液化研究的最近進(jìn)展，分析了生物質(zhì)水熱液化產(chǎn)物的分離流程，重點說明了水熱液化的四種產(chǎn)物（氣體，水相產(chǎn)物，生物原油，固體殘渣）的產(chǎn)物特性和利用方式。

5 總 結(jié)

生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用不僅僅改善了生物質(zhì)原料不易運(yùn)輸、儲存，資源分散和原料熱值低和成分復(fù)雜等特點，還能得到可燃?xì)怏w、生物油以及生物炭等化工原料，以改善能源結(jié)構(gòu)，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重效益。我國的生物質(zhì)資源是非常廣泛的，雖然已經(jīng)在生物質(zhì)的開發(fā)利用方面取得了一定進(jìn)展，但和發(fā)達(dá)國家還有一定差距。因此進(jìn)一步深入研究生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用機(jī)理，以實現(xiàn)生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中更高的目標(biāo)產(chǎn)物選擇性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，從而實現(xiàn)生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用工業(yè)化和自動化。