生物质快速热解技术及产物提质改性研究进展

第45卷第6期2011年11月生物质化学工程BiomassChemicalEngineeringVol．45No．6Nov．2011

·综述评论———生物质能源·生物质快速热解技术及产物提质改性研究进展

收稿日期：2011－05－26基金项目：国家林业局公益性行业专项（200904008）作者简介：徐俊明（1981－），男，江苏无锡人，助理研究员，博士，主要从事生物质液体能源方面的研究；E-mail：lang811023@163．com*通讯作者：蒋剑春（1955－），男，研究员，博士，博士生导师，研究领域：生物质能源与活性炭；E-mail：bio-energy@163．com。

徐俊明1，2，戴伟娣1，2，许玉1，2，蒋剑春1，2*（1．中国林业科学研究院林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业局林产化学工程

重点开放性实验室；江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏南京210042；2．中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京100091）

摘要：综述了国内外生物质快速热解技术的研究进展，分析了不同形式的快速热解装置及其优缺点，探讨了生物油在提质改性方面存在的问题，并提出了生物油精炼的发展方向。关键词：生物质；快速热解；提质改性；研究进展中图分类号：TQ351；TQ91文献标识码：A文章编号：1673－5854（2011）06－0043－06

ResearchProgressonBiomassPyrolysisandItsUpgradingProcessXUJun-ming1，2，DAIWei-di1，2，XUYu1，2，JIANGJian-chun1，2（1．InstituteofChemicalIndustryofForestProducts，CAF；NationalEngineeringLab．forBiomassChemicalUtilization；KeyandOpenLab．onForestChemicalEngineering，SFA；KeyLab．ofBiomassEnergyandMaterial，JiangsuProvince，Nanjing210042，China；2．InstituteofNewTechnologyofForestry，CAF，Beijing100091，China）

Abstract：Therecentresearchesofflashpyrolysisprocessusedinbio-oilproductionhavebeenreviewed．Theadvantagesanddisadvantagesofdifferentkindsofequipmentsusedinpyrolysisreactionwereanalysed．Mainexistingproblemsinbio-oilupgradingwerediscussed．Ttheprospectinthisresearchfieldwaspointedout，too．Keywords：biomass；pyrolysis；upgrading；progress

生物质是非常重要的可再生资源，通过各类物化方法，可转化为多种液态燃料及其它化工产品，其利用技术和化石燃料的利用方式具有很大的兼容性［1］。由于生物质热解液化制备液体燃料可以替代石油能源的车用液体燃料，具有储存、运输方便和能量密度高等优点，生物质热解液化作为最有前途的制备液体燃料技术，成为世界各国的研究关注热点。生物质快速热解技术是近年来发展起来的具有较好应用前景的生物质液体燃料转化技术，能够将固态的纤维类生物质转化为液体燃料，受到国内外研究者的广泛关注。本文综述了国内外生物质快速热解技术的研究进展，分析了不同形式的快速热解装置及其优缺点，探讨了生物油在提质改性方面存在的问题，并提出了生物油精炼的发展方向。

1国外生物质快速热解技术研究进展

从20世纪90年代开始，生物质快速裂解技术就在西方国家开始发展，随着实验规模的逐步放大，工艺也在逐步的完善，各类示范性的生物质裂解装置在世界各国开始建设［2］。比较典型的热解装置有以下几种。1．1转锥式反应器

荷兰吐温大学（Twente）的科研人员研制了旋转锥式反应器，处理量10kg/h，之后还建立了相应的44生物质化学工程第45卷

中试示范和商业化生产装置。在进一步热解反应研究中，他们还研制出较大规模的旋转锥式反应器（处理量为200kg/h）［3］。发生热解反应时，首先将载热沙在沙箱中预热，然后生物质原料与过量的载

热沙一起进入旋转反应器外锥的底部，生物质和载热沙的混合物会沿着炽热的锥壁螺旋上升，同时生物质原料发生热解。热源载体载热沙则通过反应器后，进入反应器下面另一个沙箱中，热解产生的热解气体经过旋风分离器，除去固体物质，进入冷凝器。这样，气体中的可凝组分就会被冷凝下来，形成生物油产品。当反应器热解温度600℃、滞留时间1s的条件下，生物油得率为60%，气体25%，炭15%。

图1Twente大学的旋转锥型反应器Fig．1ConicalrotationreactorinTwenteuniversity

1．2烧蚀反应器

阿斯顿大学（Aston）研究了一种新型烧蚀反应器，进行了生物质快速热解，原料处理量为3kg/h，生物油产率可以达80%［4］。该实验室规模的设备如图2所示，主要用于反应机理的研究。发生热解反应进行时，生物质原料首先通过密封的螺旋进料器输送，由氮气吹扫直接进入反应器。反应器内部的4个不对称叶片通过旋转，能够产生生物质传递的机械动力，之后生物质颗粒被加热到600℃，达到反应器底部表面。高速的机械运动使生物质在热反应器表面进行高速运动并伴随热解反应的发生。反应后的蒸汽随着载气（氮气）一起离开反应器，进入旋风分离器分离，最后冷凝收集。

图2Aston大学的烧蚀反应器Fig．2AblationreactorinAstonuniversity

1．3常压流化床反应器

加拿大滑铁卢大学（Waterloo）开发了以氮气为载气的常压流化床热解设备［4］。主要用于优化条件的选择，高效、快速的利用生物质资源，特别是林业剩余物来生产生物油。流化床的工艺流程如图3。第6期徐俊明，等：生物质快速热解技术及产物提质改性研究进展45生物质原料经脱水、粉碎、筛分处理后，采用螺旋进料方式，以及循环进入料斗的热解气体的共同作用，送入反应器。通过传热介质石英沙供热，并在流化介质为热解气的作用下，生产液体产品。装置的处理能力是3kg/h。实验发现，温度在500℃左右时，可以较高产率的得到生物油，原因是，这个温度能有效抑制蒸汽的二次热解反应。

图3Waterloo大学的流化床反应器Fig．3FluidizedbedreactorinWaterloouniversity

通过对以上几种典型反应器的特点分析，国外各研究机构更倾向于使用流化床技术进行生物质裂解反应器的研制和放大，这类反应器的显著特点有：加热速率高、气相停留时间短、控温简便、固体产物分离简便、投资低等优点，渐渐成为生物质热解发展的主流工艺设备。因此，在目前实现商业化运行的大型快速热解设备中，大都采用的流化床工艺。最早建立生物质快速裂解商业化装置并销售的是加拿大Ensyn公司［5］，该公司1989年以来研制

多套产业化生物油制备装置并出售生物油。目前该公司正在运行的热解设备中，最大处理量75吨/天，是2002年设计并建于美国的威斯康星州，该装置采用的是流化床技术，主要原料是木材加工废弃物，生物油平均产率在75%左右。该公司的生物油产品主要用来提取高附加值的食品添加剂和一些聚合物产品。提取后最后将剩余的生物油产品则用于锅炉燃料。加拿大Dynamotive公司也是国际著名的生物油生产公司。在2001、2005年成功设计并制造了15、100t/d的生物质快速裂解试验平台。之后，该公司于2007年在加拿大的安大略建立了较大规模的示

范工厂，主要进行生物油的加工与销售。该工厂每天的生物质原料处理量可达200吨。主要工艺是：预

处理后的干燥原料经过进料装置，进入流化床反应器中，随后被加热至450～550℃，裂解后所产生的裂解气体进入旋风分离器，可以有效地将焦炭、灰分脱除，净化后的气体进入冷凝塔进行喷淋处理，并采用已经冷凝的生物油产品的循环喷淋吸收来实现生物油产品的冷凝。通过快速热解产生的不凝气可以重新送回反应器，经过实验发现，该工艺可以补偿热解过程中所需热量的75%。该装置生物油的得率大约在65%～75%［5］。近年来，澳大利亚也十分重视开发生物质快速热解技术，积极推进商业化进程［5］。该国RenewableOil公司在2007年引进了Dynamotive公司技术，开始建造生物油工厂。利用该国丰富的农业剩余物资

源，从生物质原料收集开始，经过预处理、储存，然后进行热解反应制取生物油，最后将生物油储存。现在该工厂每天可处理生物质原料量为178t，快速热解所用的原料主要以小桉树加工剩余物为主，同时也处理其他木材废料、甘蔗渣或其它生物质。46生物质化学工程第45卷

2国内生物质快速热解技术发展现状

目前我国生物质快速热解技术的研究在国内还处于发展初期。近十几年来，国内很多科研机构都开始进行实验室规模的研究。例如，沈阳农业大学通过国家科委“八五”重点攻关项目“生物质热裂解液化技术”的研究，采用了荷兰吐温大学（Twente）的技术，引进了生产能力为50kg/h的旋转锥式热解反应器。试验中采用松木木粉做了许多快速热解法获取生物燃料油的实验，并在生物质热解较佳工艺条件的实验研究和基础理论研究方面都取得了比较好的结果［6］。浙江大学于上世纪90年代采用了流化床工艺，自主研发了生物质流化床快速热解装置，率先展开了快速热解的基础理论与实验研究，并最早使用GC－MS联用技术，定性、定量分析了生物油的主要组成成分，并获得各个技术参数对生物油产率及产品结构的影响。华东理工大学开发了的循环流化床快速热裂解装置，该装置原料处理量为5kg/h，主要采用木屑原料进行了快速热解的试验研究［7］。山东工程学院在1999年提出了等离子体快

热解生物质技术。首次利用该技术进行玉米秸杆粉热解，制出生物油产品［8－9］。另外，河南农业大学以农业部“可再生能源重点开放实验室”为依托单位，承担国家“生物质能转换关键技术研究”，采用了平行反应管热解生物质原料制取生物油。东北林业大学也自行设计了旋转锥式反应器［10］。从目前来看，国内研究机构更倾向于采用流化工艺进行生物质快速热解反应，借鉴国外先进的设计经验，开发加热速率高、气相停留时间短、固体产物分离简便的流化床反应器。国内虽然生物质热裂解技术还没有大规模的商业化，但已有两家公司开始尝试生物油的产业化示范［5］。安徽易能生物能源有限公司主要引入中国科学技术大学的快速热解技术，开展生物质热裂解液化示范基地的建设，生产配套生物油产品。于2004年成功研制出处理量为20kg/h生物质原料（10kg/h生物油）的小型实验装置。2005年，进过进一步的研究、改造，制造出自热式的热裂解液化装