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生物質熱解能源——節能環保新途徑

生物質是一種清潔的可再生能源，生物質快速熱解技術是生物質利用的重要途徑。作為有重要長遠意義和戰略意義的技術儲備，尋求清潔的可再生能源及其利用技術，已成為全球有識之士的共識，受到各國政*府和研究機構的廣泛關注。 1 生物質熱解技術 生物質熱化學轉化是在加熱條件下，用化學手段將生物質轉換成燃料物質的技術。通過生物質能轉換技術可高*效地利用生物質能源，生產各種清潔能源和化工產品，從而減少人類對于化石能源的依賴 減輕化石能源消費給環境造成的污染。目前，世界各國尤其是發達國家，都在致力于開發高*效、無污染的生物質能利用技術。以保護本國的礦物能源資源，為實現國家經濟的可持續發展提供根本保障。生物質熱解是指生物質在沒有氧化劑（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 ℃，通過熱化學反應將生物質大分子物質（木質素、纖維素和半纖維素）分解成較小分子的燃料物質 （固態碳、可燃氣、生物油）。生物質熱解的燃料能源轉化率可達 95.5%。*大限度地將生物質能量轉化為能源產品，物盡其用，而熱解也是燃燒和氣化必不可少的初始階段。 發展可再生能源是新能源工業的重點，而生物質能的綜合利用是大有可為的新興能源產業。生物質熱解技術是世界上生物質能研究的前沿技術之一。該技術能以連續的工藝和工廠化的生產質的易儲存、易運輸、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有鍋爐和燃氣透平等設備的燃燒，而且可通過進一步改進加工使液體燃料的品質接近于柴油或汽油等常規動力燃料的品質，此外還可以從中提取具有商業價值的化工產品。相比于常規的化石燃料，生物油因其所含的硫、氮等有害成分極其微小，可視為21世紀的綠色燃料。 2 生物質熱解的工藝類型、熱解原理及熱解過程 生物質熱裂解液化技術是生物質能源領域的前沿課題，目前已得到世界各國的廣泛關注。生物質熱裂解液化工業化技術難度很大，公認為是世界性難題。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障礙。據了解，通過生物質熱裂解液化技術，可將生物質轉化為生物油、生物質炭和各種高附加值的化學品。其中，生物油的轉化率約為24%，生物質炭的轉化率約為36%。生物油是一種用途極其廣泛的新型可再生清潔能源產品，加工后可用于鍋爐、柴油機、渦輪機等。生物質炭疏松多孔、灰分低、含硫量低，有著良好的燃料特性，在冶金業可用做煉制鋼鐵的還原劑；通過深加工可制成橡膠行業炭黑替代品；制成活性炭后，可廣泛應用于化工、醫藥、環保等領域;通過生物質熱裂解液化技術提取的化學品也具有很高的附加值。 據熱解條件和產物的不同，生物質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、木餾油和木炭等產品。三是熱解液化。把林木廢料及農副產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生物原*油。 從化學反應的角度對其進行分析，生物質在熱解過程中發生了復雜的熱化學反應，包括分子鍵斷裂、異構化和小分子聚合等反應。木材、林業廢棄物和農作物廢棄物等的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。熱重分析結果表明，纖維素在 52℃時開始熱解，隨著溫度的升高，熱解反應速度加快，到 350~370 ℃時，分解為低分子產物。半纖維素分子結構上帶有支鏈，是木材中*不穩定的組分，在 225~325℃分解，比纖維素更易熱分解，其熱解機理與纖維素相似。 從物質遷移、能量傳遞的角度對其進行分析，在生物質熱解過程中、熱量首先傳遞到顆粒表面、再由表面傳到顆粒內部。熱解過程由外至內逐層進行。生物質顆粒被加熱的成分迅速裂解成木炭和揮發分。揮發分由可冷凝氣體和不可冷凝氣體組成。可冷凝氣體經過快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反應生成生物質炭、一次生物油和不可冷凝氣體。在多孔隙生物質顆粒內部的揮發分將進一步裂解，形成不可冷凝氣體和熱穩定的二次生物油。同時，當揮發分氣體離開生物顆粒時、還將穿越周圍的氣相組分，在這里進一步裂化分解，稱為二次裂解反應。生物質熱解過程*終形成生物油、不可冷凝氣體和生物質。 根據反應溫度和加熱速度的不同，生物質熱解工藝可分為慢速、常規、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速率的常規熱裂解可制成相同比例的氣體、液體和固體產品;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條件更為嚴格，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 的冷卻速率對產物進行快速冷卻。生物質快速熱解過程中，生物質原料在缺氧的條件下，被快速加熱到較高反應溫度，從而引發了大分子的分解，產生了小分子氣體和可凝性揮發分以及少量焦炭產物。可凝性揮發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熱量（14~18.5 MJ/kg）。 3 農村開發利用生物質能實現可持續發展 生物質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總量第四位的能源，在整個能源系統中占有重要地位。根據各方面專家的研究分析，結合生物質能技術現狀和農村地區的需求特點，具體目標為∶進一步提高禽畜糞便厭氧消化器的池容產氣率，爭取提高30%以上;提高沼氣發電轉化效率，沼氣消耗量降低10%以上;研究沼氣池商品化快速建造技術，推進市場化進程;研究秸稈干發酵沼氣技術。提高和穩定產氣率;研究秸稈中熱值氣化及相關技術。提高氣化效率和應用范圍;研究秸稈直接燃燒熱利用技術及裝置，拓展秸稈利用領域。 我國是一個人口大國，又是一個經濟迅速發展的國家，21世紀將面臨著經濟增長和環境保護的雙重壓力。因此改變能源生產和消費方式，開發利用生物質能等可再生的清潔能源資源，對建立可持續的能源系統。促進國民經濟發展和環境保護意義重大。開發利用生物質能對中國農村更具特殊意義。中國80%人口生活在農村，秸稈和薪柴等生物質能是農村的主要生活燃料。盡管煤炭等商品能源在農村的使用迅速增加，但生物質能仍占有重要地位。農村開發利用生物質能實現可持續發展研發方向主要有下述方面∶秸稈干發酵及其配套技術研究，秸稈厭氧發酵及集中供氣技術，提高秸稈發酵的轉化效率，實現秸稈厭氧發酵轉換技術的規模化和商品化。關鍵技術包括;好氧發酵與厭氧發酵工藝配合技術和干發酵*佳發酵條件;優良菌種篩選及*佳發酵條件;低含水量、高活力"保護劑"篩選和厭氧啟動菌劑的保存技術;促進細*菌快速繁殖的 "激*活劑"技術等。 組裝式沼氣發酵裝置及配套設備和工藝技術：是適合我國規模化養殖中占絕大部分的養殖場沼氣工程建設需要。研究沼氣池商品化快速建造技術，實現沼氣池的工廠化生產，規范化施工，促進大中型沼氣工程產業化和市場化發展。主要研究內容包括∶組裝部件的研究、設計;組裝部件的生產設備;密封材料的研究、選擇及生產技術;工程中的現場組裝技術等。 中熱值秸稈氣化技術：針對目前低熱值熱解氣化技術的不足，開發出適合我國農村應用、技術上相對成熟、安全、燃氣熱值接近城市管道煤氣、投*資適中的秸稈氣化集中供氣技術。標準狀態燃氣熱值達到11.7~14 MJ/m3，燃料利用率達到80%，雜質含量達到國家標準。技術包括中熱值氣化裝置和燃氣凈化技術及裝置等。 綜合開發利用模式：以"四位一體"模式和"能源-環境工程" 技術為代表的能源綜合開發利用模式得到了快速發展，表明以多能互補、綜合利用、產生綜合效益為特點的可再生能源與農業生產其它技術的優化組合模式具有很強的生命力。因此，隨著生物質能和農業各方面技術的不斷進步以及農村經濟的發展。需要不斷開發探討新的生物質能綜合利用模式。 發展趨勢主要為進一步提高生物質能轉換技術的效率;生物質能發電技術;生物質供熱技術及裝置-生活及生產用;生物質熱-電聯供技術;與上述技術相關的配套技術及設備等。 4 生物質能在能源系統中的重要地位 農村對于高品位優質能源的需求，開發利用生物質能尤其在我國農村地區實現可持續發展戰略的重要意義。隨著農村經濟發展和農民生活水平的提高，農村對于優質燃料的需求日益迫切。傳統能源利用方式已經難以滿足農村現代化需求，生物質能優質化轉換利用勢在必行。生物質能高新轉換技術不僅能夠大大加快村鎮居民實現能源現代化進程，滿足農民富裕后對優質能源的迫切需求，同時也可在鄉鎮企業等生產領域中得到應用。由于我國地廣人多，常規能源不可能完全滿足廣大農村日益增長的需求，而且由于國際上正在制定各種有關環境問題的公約，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，立足于農村現有的生物質資源，研究新型轉換技術，開發新型裝備既是農村發展的迫切需要，又是減少排放、保護環境、實施可持續發展戰略的需要。 5 天禹智控氣體濃度監測儀助力發展新能源 生物質液化有氣、液、固3種產物，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;作為主要產品的液體產物被稱為生物油，有較強的酸性，組成復雜，以碳、氫、氧元素為主，成分多達幾百種。 在工藝過程中，企業對氧氣、可燃氣含量的監測十分重視，一般會采用實時監測的氣體濃度監測設備防患于未然。在生物質液化工藝中應用氣體監測設備的目的是主要為了提高燃燒效率節約成本、工藝環境的安全監測，在煙氣排出口會安裝煙氣監測系統來監測排放氣體是否達到國家要求的排放標準。天禹智控的氣體監測設備對工業工藝具有很大的指導意義。 6 生物質熱解技術的未來發展 能源資源是經濟發展的基礎，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%。生物質能的綜合利用是近年逐步發展起來的新興能源產業，其中以生物柴油、燃料乙醇、生物質發電、沼氣為代表的生物質能的綜合利用項目，相關關鍵技術已得到解決，應用技術和商業化運作模式也日臻完善，為可再生能源的綜合利用起到了很好的示范作用。非糧化生物質能的綜合利用，是發展可再生新型能源的發展方向。我國非糧生物質能資源十分豐富，主要有農作物秸稈、樹木枝椏、畜禽糞便、能源作物（植物）、城市生活垃圾等。目前全國農作物秸稈年產生量約6億t，除部分作為造紙原料和畜牧飼料外，大約3億t可作為燃料使用，折合約1.5億t標準煤。在發達國家中，生物質能研究開發工作主要集中于氣化、液化、熱解、固化和直接燃燒等方面。生物質能氣化是在高溫條件下，利用部份氧化法，使有機物轉化成可燃氣體的過程。產生的氣體可直接作為燃料，用于發動機、鍋爐、民用爐灶等場合。隨著人們對生物質能源開發利用的關注，對氣化技術應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電和合成甲醇以及產生蒸汽。

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