第6章 生物质热裂解技术

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常见的热裂解反应器
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6.1 生物质热裂解技术
生物质热裂解概念
生物质热裂解的原理
生物质热裂解的工艺类型
生物质热裂解的基本反应过程
生物质热裂解过程的影响因素 常见的热裂解反应器
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生物质热裂解概念
生物质热裂解（Biomass Pyrolysis）是指在无氧或低氧环 境下，生物质被加热升温引起分子分解产生焦炭、可冷凝 液体和可燃气体的过程，是生物质能的一种重要利用形式。
因为：高温灼烧会导致化学变化。 不同部位木材烧制的灰分含量不同； 树皮含灰量比木材高。 阔叶材烧制的木炭灰分含量比针叶材高。
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木炭性质
【4. 木炭的机械强度】
木炭的机械强度：表示木炭对压碎和磨损的抵抗能力，这对木炭的转 装、运输及在冶金工业应用上都有很大的意义。 桦木炭的耐压强度大于松木炭（阔>针）； 400℃烧制的木炭耐压强度最小； 炭化时间长、升温速度缓慢能提高木炭的耐压强度； 耐压强度沿纤维方向的纵向最大、径向次之、弦向最小。 木炭的机械强度随树种而异； 木炭的机械强度受炭化最终温度和时间的影响； 木炭的机械强度受材质纤维方向的影响。
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6.2.2 炭化工艺技术类型
4. 可移出式烧炭炉： 结构紧凑、操作容易、移动方便、出炭率高，炭质较好、 劳动强度和受季节影响小。
结构：上炉体、下炉体、烟道、风孔、炉盖、点火架、
炉栅。 出炭率：25%~30%。
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6.2.3 木柴干馏的工艺流程
木材干馏工艺包括： 木材干燥、木材干 馏、蒸汽气体混合 物的冷凝冷却、木 炭冷却和供热系统 五部分。
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生物质热裂解的原理
1. 从生物质组成成分分析
2. 从物质、能量的传递分析
3. 从反应进程分析
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生物质热裂解的工艺类型
根据工艺操作条件，生物质热裂解工艺可以分为慢速、 快速、反应性热裂解 3种类型
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生物质热裂解的基本反应过程
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生物质转化技术
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第6 章 生物质热裂解技术
大纲
生物质热裂解概念
生物质热裂解的原理
生物质热裂解的工艺类型
生物质热裂解的基本反应过程
生物质热裂解过程的影响因素 常见的热裂解反应器
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生物质热裂解概念
生物质热裂解（Biomass Pyrolysis）又称热解或裂解，通 常是指在无氧或低氧环境下，生物质被加热升温引起分子 分解产生焦炭、可冷凝液体和可燃气体的过程，是生物质 能的一种重要利用形式。
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生物质热裂解的原理
生物质热裂解是复杂的热化学反应过程，包含分子键断 裂、异构化和小分子聚合等反应。
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生物质热裂解的原理
1. 从生物质组成成分分析
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生物质热裂解的原理
最为广泛接收的纤维素热反应分解途径
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生物质热裂解的原理
2. 从物质、能量的传递分析
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6.2.3 木柴干馏的工艺流程
【内热立式干馏釜】
干馏过程： ③干馏所产生的蒸汽气体混合物与载热体一起，从顶部出口管引出，在 通过木材干燥区时，由于蒸发水分消耗许多热量，出口处蒸汽气体混合 物的温度只有125 ℃ 左右，这些气体首先进入前冷凝器，然后进入串联 的冷凝冷却器，分离出的木醋液收集在木醋液贮槽中，不凝性气体由风 机送入泡沫吸收器，在进入泡沫吸收器之前经雾滴吸收室回收气体中夹 带的液滴，在泡沫吸收器中用水吸收甲醇等低沸点组分，这时候的气体 已冷却至20-30 ℃ ，再经风机送往冷却木炭用，使木炭冷却到40-60 ℃ 。
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生物质热裂解过程的影响因素
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生物质热裂解过程的影响因素
1. 温度的影响
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生物质热裂解过程的影响因素
2. 生物质材料的影响
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生物质热裂解过程的影响因素
2. 生物质材料的影响
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生物质热裂解过程的影响因素
6.2.2 炭化工艺技术类型
木炭制取的主要方法：堆烧法（欧美国家常用方法）， 窑烧法（我国常用方法），炉烧法。 1.堆烧法： 程序：将炭原料竖立或横放在垫木上，上铺一层小树枝或 柴草，再用黏土覆盖密封，同时修筑一排烟口或装一根排 烟管，然后点火烧制。烧炭过程中，要注意供给的空气量。 出炭率：硬木原料20%~35%，软木原料14%~18%。
生物质热裂解过程的影响因素
1. 温度的影响
– 低温、长滞留期的慢速热裂解主要用于最大限度地增加炭的产量
– 闪速热解温度在500℃～650℃范围内,主要用来增加生物油的产量 – 温度高于700℃的闪速热裂解，主要用于生产气体产物。
2. 生物质物料特性的影响 ：生物质种类、粒径、形状 及粒径分布等特性
提 提 随着炭化温度的 ，木炭的发热量也 ，气体的发热量 高 高 木醋液的发热量无显著的变化规律。
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，
降 低
，
木炭性质
【3. 木炭的固定碳】
木炭的固定碳是一个假定的概念，它代表在高温缺氧条件下煅烧 木炭时，木炭中保留的不含灰分的物质。
注：
因为在测定固定 碳含量的温度条 件下，木炭中除 了灰分以外，还 存在少量的氧和 氢。 木炭中固定碳含量随着
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木炭性质
【1. 木炭的元素组成】
木炭含有的元素有：C、O、H、N等。
炭化温度对木炭元素组成的影响 ：
在相同的热解最终温度 条件下，桦木炭和松木 炭的元素组成相差不大；
随着炭化最终温度的升高， 木炭中碳元素的含量增加， 氢和氧的含量降低；木炭
的得率降低。
木炭的元素组成和产量随炭化最终温度 而定，与材种无关。
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6.2.1 生物质炭化设备
烧炭在我国已有2000多年的历史，常见的炭化设备：炭窑、 移动式炭化炉、果壳炭化炉、流态化炉。
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6.2.1 生物质炭化设备
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6.2.1 生物质炭化设备
特点：
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6.2.1 生物质炭化设备
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原料的含水率低于 20%。干馏产生的蒸 汽气体混合物在焦 油分离器或列管冷 凝器中进行冷凝冷 却。
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6.2.3 木柴干馏的工艺流程

内热式：木材通过载热体进入釜内与木材直接接触的加热方式。 外热式：热量通过釜壁传给木材的加热方式。
【内热立式干馏釜】
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6.2.3 木柴干馏的工艺流程
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木炭性质
【2. 木炭的挥发分】
木炭在高温下煅烧时放出CO、CO2、H2、CH4和其他碳氢化合物等 不凝性气态产物统称为木炭的挥发分。
挥发分含量及组成主要取决于炭化温度；温度提高挥发分含 量降低；
降 300-700℃，随着炭化温度的 提 ，CO、CO2、CH4含量 低 高 增 H2含量 加 ，只有当烧制温度小于450℃时才有C2H4放出。
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6.2.3 木柴干馏的工艺流程

影响内热立式干馏釜产量的主要因素：
①木材含水率（影响最大）；
②木块大小；
③加料速度；
④载热体温度和数量（影响大） ；
⑤蒸汽气体混合物的出口温度与压力等；
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Q：木材炭化与干馏的联系与区别？
都是木材热解的基本内容，是木材热解的两种方法； 都能制取木炭；
炭化最终温度的上升而增加。
固定碳含量越大，碳元素含量也越多。
固定碳含量不等于元素碳含量。
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木炭性质
木炭在空气中完全燃烧后，剩下的灰白色至淡红色固体残留物 质是灰分，又称作灼烧残渣或强热残分。
灰分的组成：
多种金属氧化物和盐类
源自木材中的 无机成分
这些无机物质在灰分 中的存在状态，不一 定能反映它们在木炭 及木材中的原始状态
3. 反应条件的影响
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生物质热裂解过程同的催化剂掺入生物质热解试验中，不 同的催化剂起到不同的效果。 如：碱金属碳酸盐能提高气体、碳的产量，降低生物 油的产量，而且能促进原料中氢释放，使空气产物中 的H2/CO增大；K+能促进CO、CO2的生成，但几乎不 影响H2O的生成；NaCl能促进纤维素反应中H2O、CO、 CO2的生成；加氢裂化能增加生物油的产量，并使油 的分子量变小。
比利时兰姆比奥特公司利用立式干馏釜进行连续生产。由 于这种大规模生产投资强度大，限制了在发展中国家的应 用、推广。
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6.2.2 炭化工艺技术类型
2. 窑烧法：
程序：烘窑、缺氧闷烧、闷窑。 出炭率：黑炭15%~20%，白炭比黑炭少1/4~1/3。 现状：发展中国家许多地方使用最简易的烘窑，用土覆盖木 柴或将木柴放入地坑内。这种窑不仅炭化过程缓慢而且效果 和质量都很差。
V V ' ' V
：密度； V ：总体积； 随炭化最终温度的增加， ' ：真密度；
V’ ：孔隙体积。 真密度在提高，
孔隙率也在提高，即孔隙越发达。
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木炭性质
【6. 木炭的发热量、导热系数及热容】
木炭的发热量：随着炭化最终温度的提高，木炭中碳含量增加，最高发 热量也随之增大。（碳元素含量高的发热量大） 木炭的导热系数：具有方向性，纵向的比横向的大，其数值随着树种及 炭化的最终温度而异。 木炭的热容：随温度的升高而增加。
用窑烧法烧制木炭，其木炭的质量和产量与操作水平关系很 大。如果控制不好，火候太过，炭产量减少；若火候不足， 会烧出夹生炭。