生物质热解气化机理研究进展

生物质热解气化机理研究进展

邓颖强

南方电网综合能源股份有限公司

摘要：生物质能在我国是仅次于煤炭、石油和天然气的第四种能源资源，在能源系统中占有重要地位。随着我国科学技术和社会经济的不断发展进步，生物质热解气化技术在当前已得到广泛应用。本文首先对生物质化学组成进行了简单描述，然后对生物质热解动力学研究进展进行了分析，最后从水蒸气和空气及氧气等方面出发，对生物质气化机理研究进行了阐述。

关键词：生物质；热解；气化；机理

生物质热解气化技术在结合生物质特性和快速热解装置基础上，将流化床半焦气化和生物质临氢热解技术耦合，以循环流化床分级热解气化技术为核心，将原料进行临氢热解，提高甲烷含量，进而提高燃气热值，不产生废水、焦油、飞灰等污染，合理利用钾、镁、硅资源，实现生物质能的高效综合利用。其技术原理包括：临氢热解技术、半焦气化技术、燃气净化技术，整个过程无二次污染、无废气排放、无二恶英生成。

1、生物质化学组成

生物质的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素，其中纤维素占整个生物质组分比重为50%，半纤维素占20%-35%，剩下的15%-30%为木质素。纤维素属于一种线性高分子聚合物，是植物细胞壁的重要组成成分，纤维素分子易发生降解的原因是其分子结构中的C-O-C键比较薄弱。半纤维素的聚合度要小于纤维素，它属于一种复合聚糖，物定形结构，且热稳定性相比纤维素也较差，一般在250摄氏度左右便会发生分解。另外，半纤维素易溶于碱性溶液。相比纤维素和半纤维素，木质素成分比较复杂，虽然也是一种高分子化合物，但属于复杂、非结晶性聚合物。

2、生物质热解动力学研究进展

1.1 纤维素热解动力学

通过上述分析我们知道，纤维素含量占整个生物质的50%，因此它的热解程度和能力在一定程度上可以代表整个生物质，这也是为什么当前对生物质热解动力学的研究会从研究纤维素热解动力学开始。

随着竞争反应动力学模型和多步模型的提出，人们开始认为已经对生物质热解动力学有了很深入地了解，随后逐渐将改进后的“Broido-Shafizadeh”模型定义为纤维素热解机理研究的经典模型。可很快便发现，竞争反应动力学模型和多步模型存在诸多问题。比如模型建立时没能将大尺寸样本产生的影响考虑进去，真空系统存在泄露问题，实验温度与静电负荷累计存在偏差。但在Varhegyi 的努力下，即“Broido-Shafizadeh”模型中引入二次反应，使该模型又得到了进一步优化。

2.2 半纤维素和木质素热解动力学

由Koufopanos所提出的半纤维素热解模型（见图1）包括了0级阶段，这是多步反应机理被提出的开始阶段，在该模型支持下，固体碳量将不需要依赖温度。

图1 Koufopanos半纤维素热解模型

木质素因其结构复杂，所以很难使用简单的方法对其热解动力学进行详细描述。Antal模型揭示了气热解过程存在至少两种竞争反应（如图2）。

图2 Antal木质素热解模型

2.3 生物质整体热解动力学

相比单组分热解，生物质整体热解的综合性更强，因为在纤维素、半纤维素、木质素三者的共同作用下，热解过程呈现出线性叠加态势。这种线性叠加状态可被看成两种不同类型的反应，一是三线平行反应，二是呈现递进顺序的多步反应。

其代表模型分别为DiBlasi的三平行反应模型（见图3），Koufopanos的多步热解模型（见图4）。

图3 DiBlasi三平行反应模型

图4 Koufopanos多步热解模型

3、生物质气化机理研究

生物质的气化介质有很多，比如生活中常见的空气和氧气，以及化学实验经常使用的氢气和水蒸气，文章所介绍的生物质裂解机理主要涉及了空气、氧气、水蒸气和氢气等气化介质。

4.1 水蒸气

相比欧美等发达国家及地区，当前我国对于水蒸气制氢气的研究比较少。美国应用一级反应器（流化床气化反应器）装置可在一定条件下制取最大理论产氢量的80%，意大利借助二级反应器，通过催化气化实验，从产品气体中制取到的氢气体积高达60%。

对于一般性焦油成分来说，其裂解过程顺利实现的关键因素便是水蒸气，原因在于，焦油成分中的部分元素能够与水蒸气发生化学发生，生成一氧化碳和氢气，从环保角度看，这种操作反应是值得提倡和推广的。

在水蒸气的支持下，焦油裂解能力会更强，并且裂解后产生的氢气量也很大。值得注意的是，若想获得较好的气化效果，水蒸气温度必须达到700摄氏度以上，这样便对设备性能提出了更高要求。

4.2 空气与氧气

与用水蒸气作为气化介质进行生物质裂解不同，用氧气作为气化介质进行生物质裂解时需要加入一定量空气，其目的是为了更好促进固定碳和气态挥发组分燃烧，这里的固定碳和气态挥发组分属于初步热解产物。整个促进燃烧的过程其实也是反应炉升温的过程。这样的裂解方法也被称作不完全燃烧氧化法。

接下来，上一阶段反应生成的二氧化碳会与未参加反应的固定碳继续发生化学反应，生成一氧化碳。过程中，由水蒸气所引导的其他化学反应也会一并发生。由于该阶段反应主要是吸热，所以温度会从前一阶段的1150摄氏度下降至600摄氏度。

5结束语：

随着我国经济和科技的不断发展进步，生物质热解气化机理研究较之前相比也取得了较大进展。但不可否认的是，当前我国在生物质热解气化机理研究方面取得的成果有很大一部分功劳要归功于国外研究进展，正是参考了他人的研究原理、模型、过程，以及经验，我们才会在如此短的时间内取得突飞猛进的进步。需要认识到，若想在该领域研究中取得实质性突破，甚至在技术研究和设备研制上领先全球，就必须拥有自己的理论模型，并且能够将这些理论模型应用于实现。

参考文献：

[1]李雪瑶，应浩.生物质热解气化机理研究进展[J].精细石油化工进展，2009,10(10):45-50.

[2]乔文慧，周卫红，韦博，郭鹏宇，顾凯.生物质气化机理与研究进展[J].黑龙江科技信息，2015(14):125-126.

[3]代玮. 生物质热解气化与煤气化过程的差异分析[J]. 化肥设计,2020,58(03):12-14.