1 熱解技術(shù)的 研究 概況
1.1 熱解工藝簡(jiǎn)介
按溫度、升溫速率、固體停留時(shí)間（反應(yīng)時(shí)間）和顆粒大小等實(shí)驗(yàn)條件可將熱解分為炭化（慢熱解）、快速熱解和氣化。由于液體產(chǎn)物的諸多優(yōu)點(diǎn)和隨之而來的人們對(duì)其 研究 興趣的日益高漲，對(duì)液體產(chǎn)物收率相對(duì)較高的快速熱解技術(shù)的 研究 和應(yīng)用越來越受到人們的重視。快速熱解過程在幾秒或更短的時(shí)間內(nèi)完成。所以，化學(xué)反應(yīng)、傳熱傳質(zhì)以及相變現(xiàn)象都起重要作用。關(guān)鍵問題是使生物質(zhì)顆粒只在極短時(shí)間內(nèi)處于較低溫度（此種低溫利于生成焦碳），然后一直處于熱解過程最優(yōu)溫度。要達(dá)到此目的一種方法是使用小生物質(zhì)顆粒（應(yīng)用于流化床反應(yīng)器中），另一種方法是通過熱源直接與生物質(zhì)顆粒表面接觸達(dá)到快速傳熱（這一方法應(yīng)用于生物質(zhì)燒蝕熱解技術(shù)中）。由眾多實(shí)驗(yàn) 研究 得知，較低的加熱溫度和較長(zhǎng)氣體停留時(shí)間有利于碳的生成，高溫和較長(zhǎng)停留時(shí)間會(huì)增加生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體的量，中溫和短停留時(shí)間對(duì)液體產(chǎn)物增加最有利。
1.2 熱解裝置
生物質(zhì)熱解技術(shù)常用裝置類型有：固定床、流化床、夾帶流、多爐裝置、旋轉(zhuǎn)爐、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、分批處理裝置等。其中，流化床裝置因能很好地滿足快速熱解對(duì)溫度和升溫速率的要求而被廣泛采用。下面介紹可操作性強(qiáng)的幾種典型熱解裝置。
?。?） 氣流床熱解
佐治亞技術(shù) 研究 公司開發(fā)出一種氣流床。其流程如下圖。床直徑為15 cm，高4.4 m。能保證停留時(shí)間1 s ～2 s。木材粉末（粒徑0.3 mm～0.42 mm）被燃燒廢氣帶入反應(yīng)器。熱解所需熱量由載氣提供。載氣溫度低于745℃。和生物質(zhì)的重量比為8，以保證所提供的熱量能獲得最大的液體收率。該系統(tǒng)進(jìn)料速率為15 kg×h-1?？缮?8%的生物油（干基）和12%的焦碳（無水無灰基）。
?。?） 真空熱解
生物質(zhì)在一個(gè)高2 m、直徑0.7 m的真空多級(jí)爐缸內(nèi)進(jìn)行熱解，該反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)水與油組分的分離、回收。反應(yīng)溫度為350℃～450℃。在爐的每一段收集液體組分。收率可達(dá)50%（ 分析 基）。整個(gè)過程的熱效率為82%。實(shí)驗(yàn)原料包括木材、樹皮、農(nóng)業(yè)渣料、泥炭和城市垃圾，進(jìn)料量為0.8 kg×h-1～35 kg×h-1。
?。?） 旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器
旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器由Twente 大學(xué)開發(fā)。它通過離心力輸送生物質(zhì)，150 kg×h-1加工能力的裝置業(yè)已運(yùn)行。最近宣布了達(dá)到10 t×天-1加工能力的計(jì)劃。旋轉(zhuǎn)錐技術(shù)的主要特色如下：旋轉(zhuǎn)的加熱錐產(chǎn)生離心力驅(qū)動(dòng)熱砂和生物質(zhì)；碳在第二個(gè)鼓泡流化床燃燒室中燃燒，砂子再循環(huán)到熱解反應(yīng)器中；熱解反應(yīng)器中的載氣需要量比流化床和傳輸床系統(tǒng)要少,然而需要增加用于碳燃燒和砂子輸送的氣體量；旋轉(zhuǎn)錐熱解反應(yīng)器、鼓泡床碳燃燒器和砂子再循環(huán)管道三個(gè)子系統(tǒng)統(tǒng)一操作比較復(fù)雜；典型液體產(chǎn)物收率：60%～70%重量（干基）。
?。?） 快速熱解
熱解反應(yīng)器為常壓、450℃～500℃的砂浴流化床，在15 g×h-1～100 g×h-1的實(shí)驗(yàn)裝置和2 kg×h-1～3 kg×h-1的中試裝置上開展了大量的 研究 ，對(duì)溫度在快速熱解中的作用也進(jìn)行了 研究 。結(jié)果表明，對(duì)任何類型的反應(yīng)器。如果讓生物質(zhì)顆粒加熱到500℃所需的時(shí)間遠(yuǎn)小于顆粒的停留時(shí)間。則對(duì)于給定的進(jìn)料速度和停留時(shí)間，反應(yīng)器溫度是決定焦碳、生物油和氣體收率的唯一變量。
?。?） 部分燃燒的熱解
由生物質(zhì)生產(chǎn)液體燃料的熱解工廠（500 kg×h-1）從1985年起就已在意大利投入運(yùn)行。原料包括木條橄欖殼、稻草和藤枝。原料經(jīng)篩分、復(fù)切，在進(jìn)入反應(yīng)器前先到回轉(zhuǎn)干燥器中干燥，反應(yīng)過程中，通入空氣，進(jìn)行部分燃燒，以提供反應(yīng)所需熱量。操作條件為常壓和500℃。副產(chǎn)物焦碳在旋風(fēng)分離器中收集。氣體通過冷卻器由循環(huán)產(chǎn)物水直接冷卻。油水混合物在重力分離器中分離。粗油產(chǎn)率為20%~25%，與焦碳產(chǎn)率相近。粗油為黑色，粘度55 cP。含氧量31%、含水量15%，還懸浮著10%焦碳。粗油密度為1.195 g×mL-1。
?。?） 低溫?zé)峤?/p>
這種熱解的反應(yīng)溫度不超過350℃，反應(yīng)時(shí)間不超過60 min。目的是生產(chǎn)低氧含量的油。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上同時(shí)進(jìn)行了間歇和連續(xù)熱解的 研究 。在間歇實(shí)驗(yàn)中，脫水污泥或其他生物質(zhì)在厭氧環(huán)境下于20 min內(nèi)被緩慢加熱到300℃～350℃。液體產(chǎn)物在冰浴中收集。連續(xù)裝置是基于一個(gè)間接加熱的螺旋式火爐。因?yàn)槲勰嘀械墓?、硅酸鹽和重金屬可以充當(dāng)催化劑,所以反應(yīng)中無需任何添加劑。低溫?zé)峤獾挠褪章蕿?8%～27%，焦碳收率為50%～60%，油的H/[email protected]。由生物質(zhì)得到的油，氧含量為15%，而由污泥得到的油的氧含量則低于5%。
（7） 渦流式燒蝕熱解
同其他熱解方法相比，燒蝕熱解在原理上有實(shí)質(zhì)性的不同。在所有其他熱解方法中，生物質(zhì)顆粒的傳熱速率限制了反應(yīng)速率，因而要求較小的生物質(zhì)顆粒。在燒蝕熱解過程中，熱量通過熱反應(yīng)器壁面來“融化”與其接觸的處于壓力下的生物質(zhì)（就好象在煎鍋上融化黃油，通過加壓和在煎鍋上移動(dòng)可顯著增加黃油的融化速率）。這樣，熱解前鋒通過生物質(zhì)顆粒單向地向前移動(dòng)。生物質(zhì)被機(jī)械裝置移走后，殘留的油膜可以給后繼的生物質(zhì)提供潤(rùn)滑，蒸發(fā)后即成為可凝結(jié)的生物質(zhì)熱解蒸汽。反應(yīng)速率的影響因素有壓力、反應(yīng)器表面溫度和生物質(zhì)在換熱表面的相對(duì)速率。
1.3 kg·h-1閃速液化實(shí)驗(yàn)臺(tái)建設(shè)
本裝置由流化床熱解反應(yīng)器、進(jìn)料裝置、非標(biāo)準(zhǔn)電加熱器、氣—氣換熱器、氣—水換熱器、風(fēng)機(jī)、集油器、水過濾器、旋風(fēng)分離器和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)構(gòu)成。反應(yīng)器本體是內(nèi)徑為f125 mm、f150 mm的不銹鋼管和中間過渡大小頭焊接成的一個(gè)整體，這樣反應(yīng)器內(nèi)床料可構(gòu)成內(nèi)循環(huán)，改善了換熱條件。設(shè)計(jì)工作溫度600 ℃左右。反應(yīng)器外有加熱器件及保溫材料，確保反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到工藝要求。由于生物質(zhì)顆粒流動(dòng)性差，顆粒之間容易搭橋，易造成給料過程中料倉(cāng)和進(jìn)料螺桿之間產(chǎn)生空隙，進(jìn)料螺桿空轉(zhuǎn)而無生物質(zhì)顆粒進(jìn)入反應(yīng)器本體，影響連續(xù)進(jìn)料。為達(dá)到連續(xù)生產(chǎn)要求，料倉(cāng)內(nèi)裝有攪拌器，以確保給料連續(xù)。進(jìn)料裝置采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過實(shí)驗(yàn)找到約5 kg×h-1進(jìn)料量的頻率范圍。采用兩級(jí)換熱器方式。氣—氣換熱器的采用是為了充分利用熱量，以提高整個(gè)裝置的效率。通過控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量來調(diào)整進(jìn)入氣—水換熱器的風(fēng)速，以達(dá)到快速冷卻的目的。
2 目前存在問題及建議
液體生物油具有易存儲(chǔ)、易運(yùn)輸和能提供某些有價(jià)值的化工原料等諸多優(yōu)點(diǎn)。但涉及到產(chǎn)品、技術(shù)和應(yīng)用諸方面，熱解技術(shù)還存在如下一些問題：生物油成本通常比礦物油高10%～100%；生物油同傳統(tǒng)燃料不相容，需要專用的燃料處理設(shè)備；廣大用戶不熟悉這種產(chǎn)品；不同生物油品質(zhì)相差很大，生物油的使用和銷售缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，阻礙其廣泛應(yīng)用。因此，需要做大量工作對(duì)生物油分類及制定標(biāo)準(zhǔn)，并尋求更廣泛的應(yīng)用。
由于上述問題，所以對(duì)快速熱解 研究 還需要做如下工作：建造更大的生產(chǎn)裝置，降低生物油成本；提高產(chǎn)物品質(zhì)，包括為生產(chǎn)者和用戶制定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；生物油的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和加工過程要符合環(huán)保要求；加大宣傳力度，鼓勵(lì)開發(fā)商生產(chǎn)及用戶使用生物油。對(duì)熱解過程進(jìn)一步 研究 和優(yōu)化還有很大潛力，而我國(guó)在這一方面的 研究 起步較晚，更須加倍努力，縮小與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家間的差距。
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