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生物質(zhì)熱解能源——節(jié)能環(huán)保新途徑

生物質(zhì)是一種清潔的可再生能源，生物質(zhì)快速熱解技術(shù)是生物質(zhì)利用的重要途徑。作為有重要長遠(yuǎn)意義和戰(zhàn)略意義的技術(shù)儲備，尋求清潔的可再生能源及其利用技術(shù)，已成為全球有識之士的共識，受到各國政*府和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。 1 生物質(zhì)熱解技術(shù) 生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是在加熱條件下，用化學(xué)手段將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成燃料物質(zhì)的技術(shù)。通過生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)可高*效地利用生物質(zhì)能源，生產(chǎn)各種清潔能源和化工產(chǎn)品，從而減少人類對于化石能源的依賴 減輕化石能源消費(fèi)給環(huán)境造成的污染。目前，世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家，都在致力于開發(fā)高*效、無污染的生物質(zhì)能利用技術(shù)。以保護(hù)本國的礦物能源資源，為實(shí)現(xiàn)國家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供根本保障。生物質(zhì)熱解是指生物質(zhì)在沒有氧化劑（空氣、氧氣、水蒸氣等）存在或只提供有限氧的條件下，加熱到逾 500 ℃，通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)大分子物質(zhì)（木質(zhì)素、纖維素和半纖維素）分解成較小分子的燃料物質(zhì) （固態(tài)碳、可燃?xì)狻⑸镉停Ｉ镔|(zhì)熱解的燃料能源轉(zhuǎn)化率可達(dá) 95.5%。*大限度地將生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品，物盡其用，而熱解也是燃燒和氣化必不可少的初始階段。 發(fā)展可再生能源是新能源工業(yè)的重點(diǎn)，而生物質(zhì)能的綜合利用是大有可為的新興能源產(chǎn)業(yè)。生物質(zhì)熱解技術(shù)是世界上生物質(zhì)能研究的前沿技術(shù)之一。該技術(shù)能以連續(xù)的工藝和工廠化的生產(chǎn)質(zhì)的易儲存、易運(yùn)輸、能量密度高，且使用方便的代用液體燃料（生物油），其不僅可以直接用于現(xiàn)有鍋爐和燃?xì)馔钙降仍O(shè)備的燃燒，而且可通過進(jìn)一步改進(jìn)加工使液體燃料的品質(zhì)接近于柴油或汽油等常規(guī)動力燃料的品質(zhì)，此外還可以從中提取具有商業(yè)價值的化工產(chǎn)品。相比于常規(guī)的化石燃料，生物油因其所含的硫、氮等有害成分極其微小，可視為21世紀(jì)的綠色燃料。 2 生物質(zhì)熱解的工藝類型、熱解原理及熱解過程 生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)是生物質(zhì)能源領(lǐng)域的前沿課題，目前已得到世界各國的廣泛關(guān)注。生物質(zhì)熱裂解液化工業(yè)化技術(shù)難度很大，公認(rèn)為是世界性難題。如厭氧投料、快速熱裂解、熱炭降溫、氣/固分離、煙氣凈化及重油掛壁等難題成為難以逾越的技術(shù)障礙。據(jù)了解，通過生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)，可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油、生物質(zhì)炭和各種高附加值的化學(xué)品。其中，生物油的轉(zhuǎn)化率約為24%，生物質(zhì)炭的轉(zhuǎn)化率約為36%。生物油是一種用途極其廣泛的新型可再生清潔能源產(chǎn)品，加工后可用于鍋爐、柴油機(jī)、渦輪機(jī)等。生物質(zhì)炭疏松多孔、灰分低、含硫量低，有著良好的燃料特性，在冶金業(yè)可用做煉制鋼鐵的還原劑；通過深加工可制成橡膠行業(yè)炭黑替代品；制成活性炭后，可廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域;通過生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)提取的化學(xué)品也具有很高的附加值。 據(jù)熱解條件和產(chǎn)物的不同，生物質(zhì)熱解工藝可以分為以下幾種類型：一是燒炭。將薪炭放置在炭窯或燒炭爐中，通入少量空氣進(jìn)行熱分解制取木炭，一個操作期一般需要幾天。二是干餾。將木材原料在干餾釜中隔絕空氣加熱，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚劑、木餾油和木炭等產(chǎn)品。三是熱解液化。把林木廢料及農(nóng)副產(chǎn)品在缺氧的狀況下中溫（500~650℃）快速加熱，然后迅速降溫使其冷卻為液態(tài)生物原*油。 從化學(xué)反應(yīng)的角度對其進(jìn)行分析，生物質(zhì)在熱解過程中發(fā)生了復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，包括分子鍵斷裂、異構(gòu)化和小分子聚合等反應(yīng)。木材、林業(yè)廢棄物和農(nóng)作物廢棄物等的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。熱重分析結(jié)果表明，纖維素在 52℃時開始熱解，隨著溫度的升高，熱解反應(yīng)速度加快，到 350~370 ℃時，分解為低分子產(chǎn)物。半纖維素分子結(jié)構(gòu)上帶有支鏈，是木材中*不穩(wěn)定的組分，在 225~325℃分解，比纖維素更易熱分解，其熱解機(jī)理與纖維素相似。 從物質(zhì)遷移、能量傳遞的角度對其進(jìn)行分析，在生物質(zhì)熱解過程中、熱量首先傳遞到顆粒表面、再由表面?zhèn)鞯筋w粒內(nèi)部。熱解過程由外至內(nèi)逐層進(jìn)行。生物質(zhì)顆粒被加熱的成分迅速裂解成木炭和揮發(fā)分。揮發(fā)分由可冷凝氣體和不可冷凝氣體組成。可冷凝氣體經(jīng)過快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反應(yīng)生成生物質(zhì)炭、一次生物油和不可冷凝氣體。在多孔隙生物質(zhì)顆粒內(nèi)部的揮發(fā)分將進(jìn)一步裂解，形成不可冷凝氣體和熱穩(wěn)定的二次生物油。同時，當(dāng)揮發(fā)分氣體離開生物顆粒時、還將穿越周圍的氣相組分，在這里進(jìn)一步裂化分解，稱為二次裂解反應(yīng)。生物質(zhì)熱解過程*終形成生物油、不可冷凝氣體和生物質(zhì)。 根據(jù)反應(yīng)溫度和加熱速度的不同，生物質(zhì)熱解工藝可分為慢速、常規(guī)、快速或閃速幾種。慢速裂解工藝己有幾千年的歷史，是一種以生成木炭為目的的炭化過程，低溫和長期的慢速裂解可以得到 30%的焦炭∶低于 600℃的中等溫度及中等反應(yīng)速率的常規(guī)熱裂解可制成相同比例的氣體、液體和固體產(chǎn)品;快速熱裂解大致在 10~200 ℃/s的升溫速率，小于5s的氣體停留時間;閃速熱裂解相比于快速熱裂解的反應(yīng)條件更為嚴(yán)格，氣體停留時間通常小于1s，升溫速率要求大于103 ℃/s，并以 102-103℃/s 的冷卻速率對產(chǎn)物進(jìn)行快速冷卻。生物質(zhì)快速熱解過程中，生物質(zhì)原料在缺氧的條件下，被快速加熱到較高反應(yīng)溫度，從而引發(fā)了大分子的分解，產(chǎn)生了小分子氣體和可凝性揮發(fā)分以及少量焦炭產(chǎn)物。可凝性揮發(fā)分被快速冷卻成可流動的液體，稱之為生物油或焦油。生物油為深棕色或深黑色，并具有刺激性的焦味。通過快速或閃速熱裂解方式制得的生物油具有下列共同的物理特征∶高密度（約1 200 kg/m3）;酸性（pH為 2.8~3.8）;高水分含量以及較低的發(fā)熱量（14~18.5 MJ/kg）。 3 農(nóng)村開發(fā)利用生物質(zhì)能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。根據(jù)各方面專家的研究分析，結(jié)合生物質(zhì)能技術(shù)現(xiàn)狀和農(nóng)村地區(qū)的需求特點(diǎn)，具體目標(biāo)為∶進(jìn)一步提高禽畜糞便厭氧消化器的池容產(chǎn)氣率，爭取提高30%以上;提高沼氣發(fā)電轉(zhuǎn)化效率，沼氣消耗量降低10%以上;研究沼氣池商品化快速建造技術(shù)，推進(jìn)市場化進(jìn)程;研究秸稈干發(fā)酵沼氣技術(shù)。提高和穩(wěn)定產(chǎn)氣率;研究秸稈中熱值氣化及相關(guān)技術(shù)。提高氣化效率和應(yīng)用范圍;研究秸稈直接燃燒熱利用技術(shù)及裝置，拓展秸稈利用領(lǐng)域。 我國是一個人口大國，又是一個經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的國家，21世紀(jì)將面臨著經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。因此改變能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式，開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生的清潔能源資源，對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)。促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意義重大。開發(fā)利用生物質(zhì)能對中國農(nóng)村更具特殊意義。中國80%人口生活在農(nóng)村，秸稈和薪柴等生物質(zhì)能是農(nóng)村的主要生活燃料。盡管煤炭等商品能源在農(nóng)村的使用迅速增加，但生物質(zhì)能仍占有重要地位。農(nóng)村開發(fā)利用生物質(zhì)能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展研發(fā)方向主要有下述方面∶秸稈干發(fā)酵及其配套技術(shù)研究，秸稈厭氧發(fā)酵及集中供氣技術(shù)，提高秸稈發(fā)酵的轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)秸稈厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)換技術(shù)的規(guī)模化和商品化。關(guān)鍵技術(shù)包括;好氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵工藝配合技術(shù)和干發(fā)酵*佳發(fā)酵條件;優(yōu)良菌種篩選及*佳發(fā)酵條件;低含水量、高活力"保護(hù)劑"篩選和厭氧啟動菌劑的保存技術(shù);促進(jìn)細(xì)*菌快速繁殖的 "激*活劑"技術(shù)等。 組裝式沼氣發(fā)酵裝置及配套設(shè)備和工藝技術(shù)：是適合我國規(guī)模化養(yǎng)殖中占絕大部分的養(yǎng)殖場沼氣工程建設(shè)需要。研究沼氣池商品化快速建造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)沼氣池的工廠化生產(chǎn)，規(guī)范化施工，促進(jìn)大中型沼氣工程產(chǎn)業(yè)化和市場化發(fā)展。主要研究內(nèi)容包括∶組裝部件的研究、設(shè)計(jì);組裝部件的生產(chǎn)設(shè)備;密封材料的研究、選擇及生產(chǎn)技術(shù);工程中的現(xiàn)場組裝技術(shù)等。 中熱值秸稈氣化技術(shù)：針對目前低熱值熱解氣化技術(shù)的不足，開發(fā)出適合我國農(nóng)村應(yīng)用、技術(shù)上相對成熟、安全、燃?xì)鉄嶂到咏鞘泄艿烂簹狻⑼?資適中的秸稈氣化集中供氣技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)燃?xì)鉄嶂颠_(dá)到11.7~14 MJ/m3，燃料利用率達(dá)到80%，雜質(zhì)含量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)包括中熱值氣化裝置和燃?xì)鈨艋夹g(shù)及裝置等。 綜合開發(fā)利用模式：以"四位一體"模式和"能源-環(huán)境工程" 技術(shù)為代表的能源綜合開發(fā)利用模式得到了快速發(fā)展，表明以多能互補(bǔ)、綜合利用、產(chǎn)生綜合效益為特點(diǎn)的可再生能源與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)其它技術(shù)的優(yōu)化組合模式具有很強(qiáng)的生命力。因此，隨著生物質(zhì)能和農(nóng)業(yè)各方面技術(shù)的不斷進(jìn)步以及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。需要不斷開發(fā)探討新的生物質(zhì)能綜合利用模式。 發(fā)展趨勢主要為進(jìn)一步提高生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)的效率;生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù);生物質(zhì)供熱技術(shù)及裝置-生活及生產(chǎn)用;生物質(zhì)熱-電聯(lián)供技術(shù);與上述技術(shù)相關(guān)的配套技術(shù)及設(shè)備等。 4 生物質(zhì)能在能源系統(tǒng)中的重要地位 農(nóng)村對于高品位優(yōu)質(zhì)能源的需求，開發(fā)利用生物質(zhì)能尤其在我國農(nóng)村地區(qū)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要意義。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高，農(nóng)村對于優(yōu)質(zhì)燃料的需求日益迫切。傳統(tǒng)能源利用方式已經(jīng)難以滿足農(nóng)村現(xiàn)代化需求，生物質(zhì)能優(yōu)質(zhì)化轉(zhuǎn)換利用勢在必行。生物質(zhì)能高新轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅能夠大大加快村鎮(zhèn)居民實(shí)現(xiàn)能源現(xiàn)代化進(jìn)程，滿足農(nóng)民富裕后對優(yōu)質(zhì)能源的迫切需求，同時也可在鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。由于我國地廣人多，常規(guī)能源不可能完全滿足廣大農(nóng)村日益增長的需求，而且由于國際上正在制定各種有關(guān)環(huán)境問題的公約，限制CO2等溫室氣體排放，這對以煤炭為主的我國是很不利的。因此，立足于農(nóng)村現(xiàn)有的生物質(zhì)資源，研究新型轉(zhuǎn)換技術(shù)，開發(fā)新型裝備既是農(nóng)村發(fā)展的迫切需要，又是減少排放、保護(hù)環(huán)境、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。 5 天禹智控氣體濃度監(jiān)測儀助力發(fā)展新能源 生物質(zhì)液化有氣、液、固3種產(chǎn)物，氣體主要由H2、CO、CO2、CH4及 C2~4烴組成，可作為燃料氣;固體主要是焦炭，可作為固體燃料使用;作為主要產(chǎn)品的液體產(chǎn)物被稱為生物油，有較強(qiáng)的酸性，組成復(fù)雜，以碳、氫、氧元素為主，成分多達(dá)幾百種。 在工藝過程中，企業(yè)對氧氣、可燃?xì)夂康谋O(jiān)測十分重視，一般會采用實(shí)時監(jiān)測的氣體濃度監(jiān)測設(shè)備防患于未然。在生物質(zhì)液化工藝中應(yīng)用氣體監(jiān)測設(shè)備的目的是主要為了提高燃燒效率節(jié)約成本、工藝環(huán)境的安全監(jiān)測，在煙氣排出口會安裝煙氣監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測排放氣體是否達(dá)到國家要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。天禹智控的氣體監(jiān)測設(shè)備對工業(yè)工藝具有很大的指導(dǎo)意義。 6 生物質(zhì)熱解技術(shù)的未來發(fā)展 能源資源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，僅從我國目前掌握的能源資源看，煤炭的剩余可采儲量約為1100億t，石油的剩余可采儲量約為24億t，天然氣的剩余可采儲量約為2萬億m3，其人均擁有量分別為世界人均水平的70%、10%和5%。生物質(zhì)能的綜合利用是近年逐步發(fā)展起來的新興能源產(chǎn)業(yè)，其中以生物柴油、燃料乙醇、生物質(zhì)發(fā)電、沼氣為代表的生物質(zhì)能的綜合利用項(xiàng)目，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)已得到解決，應(yīng)用技術(shù)和商業(yè)化運(yùn)作模式也日臻完善，為可再生能源的綜合利用起到了很好的示范作用。非糧化生物質(zhì)能的綜合利用，是發(fā)展可再生新型能源的發(fā)展方向。我國非糧生物質(zhì)能資源十分豐富，主要有農(nóng)作物秸稈、樹木枝椏、畜禽糞便、能源作物（植物）、城市生活垃圾等。目前全國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)生量約6億t，除部分作為造紙?jiān)虾托竽溜暳贤猓蠹s3億t可作為燃料使用，折合約1.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤。在發(fā)達(dá)國家中，生物質(zhì)能研究開發(fā)工作主要集中于氣化、液化、熱解、固化和直接燃燒等方面。生物質(zhì)能氣化是在高溫條件下，利用部份氧化法，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w的過程。產(chǎn)生的氣體可直接作為燃料，用于發(fā)動機(jī)、鍋爐、民用爐灶等場合。隨著人們對生物質(zhì)能源開發(fā)利用的關(guān)注，對氣化技術(shù)應(yīng)用研究重又引起人們的重視。目前研究主要用途是利用氣化發(fā)電和合成甲醇以及產(chǎn)生蒸汽。

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