生物質快速熱裂解反應器研究進展

王娜娜，張玉春，李永軍，李治宇

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院, 山東 淄博 255049)

隨著化石能源的過度利用和日趨枯竭所帶來的一系列環境問題，發展低碳經濟、利用可再生能源已經成為當前國際社會的共識。生物質能作為一種環境友好型可再生能源，已成為國內外可再生能源研究領域的熱點之一。其中，生物質快速熱裂解技術能將農林廢棄物等固態生物質轉化為液體燃料——熱解油、熱解炭和不可冷凝氣，提高了燃料的品質和遠距離輸送利用的便利性，而且熱解油具有良好的應用前景，可用于鍋爐、發動機、渦輪機等[1-2]；因此，生物質快速熱裂解技術是生物質能綜合利用中很有發展前景的技術之一。

1 生物質快速熱裂解工藝

生物質快速熱裂解工藝流程通常包括原料預處理(物料干燥和粉碎)、快速熱裂解、炭分離等，如圖1所示。(1)物料干燥。在快速熱裂解工藝中，為了避免將外在水分帶入產物，一般將生物質物料進行充分干燥，使其水分含量低于10%。(2)物料粉碎。為了提高加熱速率、增加產油率，生物質物料需要進行粉碎，采用一般的流化床及其他相似結構的快速熱裂解反應器，原料粒度不宜過大，一般應小于2 mm，循環流化床小于6 mm。(3)快速熱裂解。反應器是快速熱裂解的核心裝置，快速熱裂解反應器類型眾多，但其都具有如下特點：加熱速率快、中等反應溫度、極短的氣相停留，并且反應器應該在無氧或缺氧條件下運行。(4)炭分離。快速熱裂解反應的固體產物——炭，對熱解氣具有催化作用，使之分解為小分子氣體，造成熱解油產率下降;因此,在熱解氣冷凝之前，必須快速對熱解氣和炭進行有效分離。(5)熱解氣冷卻。生成的熱解氣停留時間越長，二次熱裂解發生的可能性越大，生成不可冷凝氣體的成分增多;因此,必須盡快將生成的熱解氣排出，且迅速將其中的可冷凝成分冷凝為液體,這對冷凝器性能提出了較高要求。(6)熱解油的收集。熱解油的收集是一個非常復雜的過程，為提高熱解油收集率，常采用混合連用的冷凝方式。

圖1 生物質快速熱裂解工藝流程示意圖

2 生物質快速熱裂解反應器

反應器是生物質快速熱裂解系統的核心裝置，反應器類型在很大程度上決定著熱裂解產物分布。盡管對生物質進料器和冷凝器的改進日益受到關注，但現階段研發重點仍是開發和測試與不同原料配套的各種反應器。快速熱裂解反應器類型眾多，經過幾十年的發展，已經開發出多種類型的快速熱裂解反應器。本文介紹典型的流化床反應器、旋轉錐反應器、下降管反應器、燒蝕反應器以及新型結構的套管流化床反應器。

2.1 流化床反應器

常見的流化床反應器主要有鼓泡流化床反應器、循環流化床反應器、噴動流化床反應器等類型。

鼓泡流化床是研究較早的一種傳統熱裂解反應器。加拿大滑鐵盧大學最早開展關于流化床的研究并于20世紀80年代研制出鼓泡流化床反應器快速熱裂解技術[3-5]。圖2是滑鐵盧大學設計的喂料率為1.5～3 kg/h的流化床反應器，流化載氣為快速熱裂解生成的氣體，采用兩級冷凝，500 ℃左右熱解油收集率最高，生成的不可冷凝氣體經過濾后循環使用[6]。基于滑鐵盧大學研制的鼓泡流化床，Union Fenosa公司在西班牙建立了處理量為200 kg/h快速熱裂解設備[7]；Dynamotive公司在加拿大建立了75 kg/h和400 kg/h(RTI設計)的試驗設備，隨后在加拿大建造了100 t/d和200 t/d的工廠[8]。哥倫比亞國立大學研發了處理量為2～5.3 kg/h的鼓泡流化床熱解設備，以甘蔗渣為試驗原料，研究了熱解溫度、生物質喂料速率、載氣流量等對熱解產物分布的影響[9]。Eom等[10]采用鼓泡流化床對落葉松鋸末進行了快速熱解試驗，研究了溫度、床長徑比、床料粒度等對熱解油收集率和組成的影響，熱解油產率最高為58%。Pielsticker等[11]在小型流化床反應器上研究了山毛櫸木粉顆粒的熱解動力學。

圖2 鼓泡流化床結構示意圖

國內朱沈嘉等[12]在處理量為1 kg/h的鼓泡流化床上進行杉木熱裂解試驗，考察了熱過濾裝置對熱解油產率和品質的影響。穆合塔爾·斯依提等[13]在小型鼓泡流化床上開展了煙煤在不同濃度CO2氣氛下的快速熱裂解特性。

鼓泡流化床反應器的優點是設備制造簡單、操作方便、反應溫度控制較方便,它通過調節載氣流量來控制原料顆粒和熱解氣的停留時間，適于小粒徑原料的快速熱裂解。

循環流化床利用燃燒熱裂解產生的副產物——熱解炭，加熱循環熱載體(砂子)，以提供熱裂解反應所需的熱量。在工作過程中，熱載體砂子、炭和熱解氣一起被流化床載氣吹出反應器，經過旋風分離器后，砂子和炭一起進入燃燒室，炭在燃燒室內燃燒產生熱量加熱砂子，熱砂子返回流化床反應器提供快速熱裂解所需熱量，形成一個循環過程。

國外研究循環流化床反應器的主要有加拿大的Ensyn公司、希臘的可再生能源中心GRES和芬蘭的VTT等。加拿大Ensyn公司在意大利建成了650 kg/h規模的示范設備，以楊木為原料，在550 ℃時，液體產率為65%[14]。希臘可再生能源中心研制的喂料量為10 kg/h的循環流化床設備，快速熱裂解所需熱量由燃燒生物炭提供，熱解油產率最高為61.5%[15]。

國內中國科學院廣州能源研究所戴先文等研制了處理量為5 kg/h的小型生物質循環流化床液化設備，循環介質為石英砂，熱解油產率最高為63%[16-17]。Cai等[18]在處理量為1～3 t/h的吸式循環流化床反應器上，反應溫度550 ℃時，以稻殼為原料開展快速熱裂解試驗，對獲得熱解油性質進行了研究。

循環流化床反應器的優點是將反應器和燃燒室合為一體，降低了制造成本，結構緊湊、熱量損失小，可以快速熱裂解較大粒徑的原料，適合于大規模的生產；其缺點是存在焦炭、砂子和熱解氣之間高效分離難，反應器內溫度控制、設備磨損和物料循環帶來的控制復雜等問題。

噴動流化床的研究最早始于20世紀50年代的加拿大，最初用于小麥等大粒徑物料的干燥。Mathur和Gisher最早發明并申報了噴動床專利[19]。Amutio等[20]在噴動流化床上研究了溫度對熱解油產率和性能的影響，試驗結果表明，500 ℃下松木屑熱解油產率高達75%。巴斯克國家大學等設計了處理量為300 g/h的錐形噴動床快速熱裂解設備，以污泥為原料開展了快速熱裂解試驗研究，結果表明，熱解油產率在500 ℃時最高，為77%[21]。

國內華東理工大學的陳明強等[22]建立了一套生物質處理量為5 kg/h的噴動流化床生物質熱裂解反應器，以木屑為原料進行快速熱裂解試驗，熱解油產率可達73.2%。北京林業大學王鵬起[23]在新型噴動循環流化床上開展了落葉松快速熱裂解試驗，結果表明500 ℃時熱解油產率最高。張立塔[24]研發了一套30 kg/h噴動流化床中試設備，以落葉松、楊木、玉米秸稈等為原料進行了工藝優化研究，確定了快速熱裂解最佳工藝條件，采用優化工藝進行快速熱裂解試驗，熱解油產率為72.05%。

噴動流化床反應器的優點是具有良好的流體動力學特性和多功能性，如傳熱傳質效率高，可以熱解不規律顆粒、細小顆粒或黏性顆粒，熱解油的產率高、品質好等[25-27]。

2.2 旋轉錐反應器

旋轉錐技術的發展始于1989年荷蘭Twente大學的一個博士研究項目，后來BTG集團發展了此技術。2000年，BTG集團研制了200 kg/h的旋轉錐快速熱裂解液化設備，2005年，在馬來西亞建立了處理量為50 t/d的設備[1]。

1997年，沈陽農業大學從Twente大學引進處理量為50 kg/h的旋轉錐快速熱裂解設備并且以木屑為原料開展試驗研究，在溫度600 ℃、喂料速率26.4 kg/h時，熱解油產率最高為53.4%，其結構示意圖如圖3所示[28]。東北林業大學的喬國朝[29]設計了一套處理量為200 kg/h的轉錐反應器，以玉米秸、大豆秸、白樺和柞木等為試驗原料，在溫度556 ℃時熱解油產率最高為83.8%。

圖3 旋轉錐反應器結構示意圖

旋轉錐反應器的優點是依靠離心力驅動生物質和熱砂子運動從而發生快速熱裂解反應，一般不需要載氣;但是其缺點是能耗高、不可冷凝氣和熱解炭損失比較嚴重等，其工藝有待于進一步改善[28]。

2.3 下降管反應器

山東理工大學設計開發了處理量為20 kg/h、50 kg/h、200 kg/h的三代“Z”字型下降管反應器[30-31],因其形狀類似于英文字母“Z”，故稱作“Z”字型下降管，它由互成45°的三段鋼管組成，鋼管之間通過彎頭聯接。在此基礎上，李寧[32]設計了處理量為300 kg/h的“V”字型下降管反應器，形狀類似于英文字母“V”，故稱作“V”字型下降管，它由上段傾角為45°、下段傾角為負45°、中間段為豎直不銹鋼管三段組成，兩段斜管呈90°夾角，反應管上端連接波紋管，用來消除反應管受膨脹熱應力的影響，反應器總長達3.4 m，如圖4所示。相對之前的豎直管“Z”字型下降管反應器，該反應器降低了整體高度，能節省材料和空間，增加物料和陶瓷球在反應管內混合接觸的均勻程度，提高快速熱裂解效果。

圖4 處理量為300 kg/h的V 型下降管反應器

下降管反應器的優點是采用燃燒生物質提供快速熱裂解所需要的熱量，區別于傳統的電加熱方式，不需要引入氮氣、氬氣等惰性氣體，陶瓷球可以循環利用，降低了能耗和成本。

2.4 燒蝕反應器

國外主要有美國可再生能源實驗室(NREL)和英國阿斯頓大學(Aston University)研究燒蝕反應器。其工作原理是利用高壓使生物質相對于反應器表面高速運動并發生分解，反應溫度低于600 ℃，一般通過機械力或離心力的作用來實現。美國可再生能源實驗室設計的燒蝕反應器采用離心力實現[1]；英國阿斯頓大學設計的燒蝕反應器采用機械力實現，如圖5所示，處理量為2.5 kg/h，在溫度為450～600 ℃時，對松木進行熱裂解試驗，獲得液體產率最高為80.8%[33]。 Khuenkaeo等[34-35]以玉米芯和椰子殼為原料，在旋轉葉片燒蝕反應器上，研究了平板溫度、氮氣流量和旋轉頻率對熱裂解產物產率和組分的影響。

圖5 英國阿斯頓大學燒蝕反應器示意圖

燒蝕反應器的優點是原料粒徑范圍廣，可以快速熱裂解大粒徑的生物質顆粒，而且不需要載氣，整體設備尺寸較小，反應系統結構緊湊；缺點是結構復雜且不易放大。

2.5 套管流化床反應器

隨著移動式快速熱解技術的發展，出現了一些新型結構的反應器，其中套管流化床反應器是應用較廣的一種類型。套管流化床反應器的特點是由同軸的不同直徑的兩個圓筒組成的反應器。加拿大西安大略大學研發的套管流化床反應器，其內管為流化床燃燒室，外管為環形流化床反應器[36-37]，該反應器存在的問題是反應區為環形區，使得生物質與床料的混合均勻性較低。北京林業大學研發了兩代環形流化床反應器，其內管為流化床反應區，外管為環形加熱區[38-39]，這種反應器的優點是結構緊湊、熱效率高，適用于可移動式快速熱裂解設備，新型移動式套管流化床快速熱裂解設備如圖6所示。

圖6 新型移動式套管流化床快速熱裂解設備

綜上所述，快速熱裂解反應器的類型及特點見表1。

表1 快速熱裂解反應器的類型及特點

3 結論與展望

在多種生物質快速熱裂解反應器中，流化床反應器應用最廣泛。其中，鼓泡流化床反應器具有結構簡單、操作方便、易放大且傳熱效率高等優點，在生物質快速熱裂解試驗研究中應用較廣泛。噴動流化床反應器具有良好的流體動力學特性和多功能性，也具有一定的應用范圍。由山東理工大學自主研發的下降管反應器，無需流化載氣且熱載體可循環利用，具有一定的發展空間。套管流化床反應器結構緊湊、熱效率高，適用于移動式快速熱裂解設備。旋轉錐反應器能耗高、操作過程復雜，燒蝕反應器存在結構復雜且不易放大等問題，應用相對最少。