生物質熱化學轉化利用研究現狀與發展

羅先智，周東一，吳源泉，袁嘉煒，萬 華，尹向群

（1.邵陽學院 機械與能源工程學院，湖南 邵陽422000；2.邵陽學院高效動力系統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.國家能源集團寶慶煤電有限公司，湖南 邵陽422000）

快速的工業化和社會生活水平的提高導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會導致資源的枯竭、空氣的污染、全球氣候變暖以及對環境造成不可挽回的損害。因此，開發利用可再生能源，從而促進能源的可持續性發展，減少全球環境問題，已成為解決能源問題的戰略選擇。生物質是一種很有前景的綠色燃料，地球上生物資源非常豐富，植物經過光合作用每年大約生成總量1440 億～1700 億噸（干重）的生物質。但是目前對生物質利用率還很低，大多是單純燃燒，而且當生物質直接用作生物燃料時，它面臨著幾個嚴重的問題，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該解決的難題。生物質的熱化學轉化是使用生物質作為生物燃料克服上述問題的可行途徑。熱化學轉化的主要目標是通過優化過程參數來減少不需要的副產物。在熱化學轉化過程中應用熱和化學過程來生產高質量和高能量密度的生物燃料。常見的生物質熱化學轉化利用包括液化、熱解、氣化和燃燒。

1 生物質的熱解

熱解是在無氧或少氧條件下加熱生物質，破壞有機物聚合物的結合狀態，將其分解為低分子物質，并發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）三相反應產物。熱解技術適用對象廣泛，下圖是生物質熱解過程。

圖1 生物質熱解及其產物的應用

辛子揚等[2]從生物油、可燃氣體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、獲得最大產率和富含H2、CO 的可燃氣體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熱解時釋放致香物質的異同，發現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生酮類致香物質。Li 等[4]通過使用FeCl3作為催化劑對生物質廢物進行催化熱解發現木質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]分析了玉米稈和準東煤共熱解特性，發現玉米稈與準東煤共熱解時存在協同作用，當玉米稈與準東煤的摻混比小于0.4 時，玉米稈的添加可以促進樣品的熱解失重，且摻混比等于0.2時促進作用最好。綜上所述，通過對實驗樣品進行微波預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質的熱解產物。

2 生物質燃燒

燃燒是應用最廣泛的生物質轉換方式，但生物質燃料的含水率和氧含量比較高，因此生物質直接燃燒產生的熱值要遠低于化石能源的熱值，這導致生物質的利用率降低。由于不同生物質之間以及生物質與化石燃料之間的潛在的協同作用可能是抵消生物質直接燃燒時存在的問題的可行方法[6]，近幾年有關生物質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，發現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的熱值并使其性質均勻，有利于共燒。這些發現將有助于固體生物燃料/煤共燃燃燒的合理設計和合理運行，以促進生物質和相關生物廢物材料的共燃應用。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，發現在造紙污泥的摻混比為20%和50%時發生了相互作用且在20%時共燃的綜合燃燒特性指數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共燃特性，發現兩者共燃時煤的燃燒性能有所改善；提高升溫速率，混合物的反應活化能進一步降低且綜合燃燒特性指數增大。

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

3 生物質氣化

生物質氣化是將生物質加熱到700℃以上以獲得氣體產物，該氣體產物也可以轉化為液體運輸燃料。下圖是生物質的氣化過程。

圖2 生物質氣化過程圖

高嘉楠等[11]介紹了生物質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缺點。M. Shahabuddin 等[12]發現生物質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和固體廢物的氣化生產航空燃料的氣化技術，分析結果表明流化床氣化技術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氣化的熱電發電機集成系統。分析和驗證了所提出的基于生物質氣化的系統中熱電發電機的新型集成，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]闡明了生物質氣化和合成氣甲烷化的發展，介紹了氣化過程中常見的反應器以及用于氣化和合成氣甲烷化的先進活性催化劑。并提出了發展焦油裂解和新型催化劑以促進氣化過程的清潔和高效運行。劉志章等[15]討論了生物質氣化技術在燃煤工業鍋爐節能改造中的應用情況，發現以木片為生物質氣化原料的經濟效益非常明顯，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，表明該項目運行具有良好的發展前景。

4 生物質液化

生物質液化是在一定的溫度和壓力下把固態生物質在溶劑（有機物或水）中解聚得到液態產物（生物油）。液化技術可以將高含水率（70%以上）的生物質直接轉化為生物原油，極具潛力，近幾年引起了人們的廣泛關注。

圖3 生物質水熱液化圖

Demirbas 等[16]研究了木質素含量不同的生物質的液化，發現隨著木質素含量的增加，油的產率降低，而焦炭的產率提高。Breunig 等[17]研究了使用不同的非均相催化劑和不同木質素類型的生物質液化。結果表明木質素和富含木質素的生物質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油產品。Mathanker 等[18]研究了玉米秸稈的水熱液化（HTL），發現在300℃，2200psi 的終壓和保留0 分鐘時重油產率最高。在350℃，終壓為3150psi 和保留15 分鐘時烴類收率最高。重油的GC-MS 分析結果表明大多數都是酚類化合物。申瑞霞等[19]闡述了生物質水熱液化研究的最近進展，分析了生物質水熱液化產物的分離流程，重點說明了水熱液化的四種產物（氣體，水相產物，生物原油，固體殘渣）的產物特性和利用方式。

5 總 結

生物質熱化學轉化利用不僅僅改善了生物質原料不易運輸、儲存，資源分散和原料熱值低和成分復雜等特點，還能得到可燃氣體、生物油以及生物炭等化工原料，以改善能源結構，具有經濟和環境的雙重效益。我國的生物質資源是非常廣泛的，雖然已經在生物質的開發利用方面取得了一定進展，但和發達國家還有一定差距。因此進一步深入研究生物質熱化學轉化利用機理，以實現生物質熱化學轉化過程中更高的目標產物選擇性、穩定性、經濟性，從而實現生物質的熱化學轉化利用工業化和自動化。