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生物質(zhì)熱解能源——節(jié)能環(huán)保新途徑
2022.05.17
生物質(zhì)是一種清潔的可再生能源，生物質(zhì)快速熱解技術是生物質(zhì)利用的重要途徑。作為有重要長遠意義和戰(zhàn)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(zhì)熱解技術
生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化是在加熱條件下，用化學手段將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成燃料物質(zhì)的技術。通過生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術可高效地利用生物質(zhì)能源，生產(chǎn)各種清潔能源和化工產(chǎn)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(huán)境造成的污染。目前，世界各國尤其是發(fā)達國家，都在致力于開發(fā)高效、無污染的生物質(zhì)能利用技術。以保護本國的礦物能源資源，為實現(xiàn)國家經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供根本保障。生物質(zhì)熱解是指生物質(zhì)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(zhì)大分子物質(zhì)（木質(zhì)素、纖維素和半纖維素）分解成較小分子的燃料物質(zhì) （固態(tài)碳、可燃氣、生物油）。生物質(zhì)熱解的燃料能源轉(zhuǎn)化率可達 95.5%。最大限度地將生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)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(fā)展可再生能源是新能源工業(yè)的重點，而生物質(zhì)能的綜合利用是大有可為的新興能源產(chǎn)業(yè)。生物質(zhì)熱解技術是世界上生物質(zhì)能研究的前沿技術之一。該技術能以連續(xù)的工藝和工廠化的生產(chǎn)質(zhì)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(xiàn)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(zhì)接近于柴油或汽油等常規(guī)動力燃料的品質(zhì)，此外還可以從中提取具有商業(yè)價值的化工產(chǎn)品。相比于常規(guī)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(zhì)熱解的工藝類型、熱解原理及熱解過程
生物質(zhì)熱裂解液化技術是生物質(zhì)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(zhì)熱裂解液化工業(yè)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(jù)了解，通過生物質(zhì)熱裂解液化技術，可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油、生物質(zhì)炭和各種高附加值的化學品。其中，生物油的轉(zhuǎn)化率約為24%，生物質(zhì)炭的轉(zhuǎn)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(chǎn)品，加工后可用于鍋爐、柴油機、渦輪機等。生物質(zhì)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(yè)可用做煉制鋼鐵的還原劑；通過深加工可制成橡膠行業(yè)炭黑替代品；制成活性炭后，可廣泛應用于化工、醫(yī)藥、環(huán)保等領域;通過生物質(zhì)熱裂解液化技術提取的化學品也具有很高的附加值。
據(jù)熱解條件和產(chǎn)物的不同，生物質(zhì)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(chǎn)品。三是熱解液化。把林木廢料及農(nóng)副產(chǎn)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(tài)生物原油。
從化學反應的角度對其進行分析，生物質(zhì)在熱解過程中發(fā)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(yè)廢棄物和農(nóng)作物廢棄物等的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)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(chǎn)物。半纖維素分子結構上帶有支鏈，是木材中最不穩(wěn)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(zhì)遷移、能量傳遞的角度對其進行分析，在生物質(zhì)熱解過程中、熱量首先傳遞到顆粒表面、再由表面?zhèn)鞯筋w粒內(nèi)部。熱解過程由外至內(nèi)逐層進行。生物質(zhì)顆粒被加熱的成分迅速裂解成木炭和揮發(fā)分。揮發(fā)分由可冷凝氣體和不可冷凝氣體組成。可冷凝氣體經(jīng)過快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反應生成生物質(zhì)炭、一次生物油和不可冷凝氣體。在多孔隙生物質(zhì)顆粒內(nèi)部的揮發(fā)分將進一步裂解，形成不可冷凝氣體和熱穩(wěn)定的二次生物油。同時，當揮發(fā)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(zhì)熱解過程最終形成生物油、不可冷凝氣體和生物質(zhì)。
根據(jù)反應溫度和加熱速度的不同，生物質(zhì)熱解工藝可分為慢速、常規(guī)、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(guī)熱裂解可制成相同比例的氣體、液體和固體產(chǎn)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(chǎn)物進行快速冷卻。生物質(zhì)快速熱解過程中，生物質(zhì)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(fā)了大分子的分解，產(chǎn)生了小分子氣體和可凝性揮發(fā)分以及少量焦炭產(chǎn)物。可凝性揮發(fā)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(fā)熱量（14~18.5 MJ/kg）。
3 農(nóng)村開發(fā)利用生物質(zhì)能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展
生物質(zhì)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(tǒng)中占有重要地位。根據(jù)各方面專家的研究分析，結合生物質(zhì)能技術現(xiàn)狀和農(nóng)村地區(qū)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(chǎn)氣率，爭取提高30%以上;提高沼氣發(fā)電轉(zhuǎn)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(fā)酵沼氣技術。提高和穩(wěn)定產(chǎn)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(jīng)濟迅速發(fā)展的國家，21世紀將面臨著經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力。因此改變能源生產(chǎn)和消費方式，開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生的清潔能源資源，對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)。促進國民經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護意義重大。開發(fā)利用生物質(zhì)能對中國農(nóng)村更具特殊意義。中國80%人口生活在農(nóng)村，秸稈和薪柴等生物質(zhì)能是農(nóng)村的主要生活燃料。盡管煤炭等商品能源在農(nóng)村的使用迅速增加，但生物質(zhì)能仍占有重要地位。農(nóng)村開發(fā)利用生物質(zhì)能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展研發(fā)方向主要有下述方面∶秸稈干發(fā)酵及其配套技術研究，秸稈厭氧發(fā)酵及集中供氣技術，提高秸稈發(fā)酵的轉(zhuǎn)化效率，實現(xiàn)秸稈厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)換技術的規(guī)模化和商品化。關鍵技術包括;好氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵工藝配合技術和干發(fā)酵最佳發(fā)酵條件;優(yōu)良菌種篩選及最佳發(fā)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(fā)酵裝置及配套設備和工藝技術：是適合我國規(guī)模化養(yǎng)殖中占絕大部分的養(yǎng)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(xiàn)沼氣池的工廠化生產(chǎn)，規(guī)范化施工，促進大中型沼氣工程產(chǎn)業(yè)化和市場化發(fā)展。主要研究內(nèi)容包括∶組裝部件的研究、設計;組裝部件的生產(chǎn)設備;密封材料的研究、選擇及生產(chǎn)技術;工程中的現(xiàn)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(fā)出適合我國農(nóng)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(tài)燃氣熱值達到11.7~14 MJ/m3，燃料利用率達到80%，雜質(zhì)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(fā)利用模式：以"四位一體"模式和"能源-環(huán)境工程" 技術為代表的能源綜合開發(fā)利用模式得到了快速發(fā)展，表明以多能互補、綜合利用、產(chǎn)生綜合效益為特點的可再生能源與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)其它技術的優(yōu)化組合模式具有很強的生命力。因此，隨著生物質(zhì)能和農(nóng)業(yè)各方面技術的不斷進步以及農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展。需要不斷開發(fā)探討新的生物質(zhì)能綜合利用模式。
發(fā)展趨勢主要為進一步提高生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術的效率;生物質(zhì)能發(fā)電技術;生物質(zhì)供熱技術及裝置-生活及生產(chǎn)用;生物質(zhì)熱-電聯(lián)供技術;與上述技術相關的配套技術及設備等。
4 生物質(zhì)能在能源系統(tǒng)中的重要地位
農(nóng)村對于高品位優(yōu)質(zhì)能源的需求，開發(fā)利用生物質(zhì)能尤其在我國農(nóng)村地區(qū)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要意義。隨著農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高，農(nóng)村對于優(yōu)質(zhì)燃料的需求日益迫切。傳統(tǒng)能源利用方式已經(jīng)難以滿足農(nóng)村現(xiàn)代化需求，生物質(zhì)能優(yōu)質(zhì)化轉(zhuǎn)換利用勢在必行。生物質(zhì)能高新轉(zhuǎn)換技術不僅能夠大大加快村鎮(zhèn)居民實現(xiàn)能源現(xiàn)代化進程，滿足農(nóng)民富裕后對優(yōu)質(zhì)能源的迫切需求，同時也可在鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)等生產(chǎn)領域中得到應用。由于我國地廣人多，常規(guī)能源不可能完全滿足廣大農(nóng)村日益增長的需求，而且由于國際上正在制定各種有關環(huán)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(nóng)村現(xiàn)有的生物質(zhì)資源，研究新型轉(zhuǎn)換技術，開發(fā)新型裝備既是農(nóng)村發(fā)展的迫切需要，又是減少排放、保護環(huán)境、實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。
5 天禹智控氣體濃度監(jiān)測儀助力發(fā)展新能源
生物質(zhì)液化有氣、液、固3種產(chǎn)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(chǎn)品的液體產(chǎn)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(yè)對氧氣、可燃氣含量的監(jiān)測十分重視，一般會采用實時監(jiān)測的氣體濃度監(jiān)測設備防患于未然。在生物質(zhì)液化工藝中應用氣體監(jiān)測設備的目的是主要為了提高燃燒效率節(jié)約成本、工藝環(huán)境的安全監(jiān)測，在煙氣排出口會安裝煙氣監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)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(jiān)測設備對工業(yè)工藝具有很大的指導意義。
6 生物質(zhì)熱解技術的未來發(fā)展
能源資源是經(jīng)濟發(fā)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(zhì)能的綜合利用是近年逐步發(fā)展起來的新興能源產(chǎn)業(yè)，其中以生物柴油、燃料乙醇、生物質(zhì)發(fā)電、沼氣為代表的生物質(zhì)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(yè)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(zhì)能的綜合利用，是發(fā)展可再生新型能源的發(fā)展方向。我國非糧生物質(zhì)能資源十分豐富，主要有農(nóng)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(nóng)作物秸稈年產(chǎn)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(fā)達國家中，生物質(zhì)能研究開發(fā)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(zhì)能氣化是在高溫條件下，利用部份氧化法，使有機物轉(zhuǎn)化成可燃氣體的過程。產(chǎn)生的氣體可直接作為燃料，用于發(fā)動機、鍋爐、民用爐灶等場合。隨著人們對生物質(zhì)能源開發(fā)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(fā)電和合成甲醇以及產(chǎn)生蒸汽。
多年以來，我國先后對禽畜糞便厭氧消化、農(nóng)作物秸稈熱解氣化、致密成型等技術進行了攻關研究和開發(fā)已經(jīng)取得了一定成績。在厭氧消化技術方面，目前國內(nèi)處理有機廢棄物的沼氣工程已有六百多處，總池容20萬m3，年產(chǎn)沼氣1億m3左右。經(jīng)過十多年的研究開發(fā)，厭氧消化工藝技術已取得了較大進展。
另外，以生物質(zhì)能利用技術為核心的綜合利用技術模式由于其明顯的經(jīng)濟和社會效益而得到快速發(fā)展，這也成為中國生物質(zhì)能利用的特色，如"四位一體"模式，"能源環(huán)境工程"等。所謂"四位一體"就是一種綜合利用太陽能和生物質(zhì)能發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟的模式，其內(nèi)容是在溫室的一端建地下沼氣池，池上建豬舍、廁所。在一個系統(tǒng)內(nèi)既提供能源，又生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品。 "能源環(huán)境工程"技術是在原大中型沼氣工程基礎上發(fā)展起來的多功能、多效益的綜合工程技術，既能有效解決規(guī)模化養(yǎng)殖場的糞便污染問題，又有良好的能源、經(jīng)濟和社會效益。其特點是糞便經(jīng)固/液分離后.液體部分進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，厭氧消化液和渣經(jīng)處理后成為商品化的肥料和飼料。
生物質(zhì)能尤其是薪材不僅是很好的能源、而且可以用來制造出木炭、活性炭、木醋液等化工原料。大量速生薪炭材基地的建設，為工業(yè)化綜合開發(fā)利用木質(zhì)能源提供了豐富的原料。由于我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，促進了農(nóng)村分散居民逐步向城鎮(zhèn)集中，為集中供氣，提高用能效率提供了現(xiàn)實的可能性。將來應根據(jù)集中居住人口的多少，建立能源工廠，把生物質(zhì)能進行化學轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的氣體收集凈化后，輸送到居民家中作燃料，提高使用熱效率和居民生活水平。這種生物質(zhì)能的集約化綜合開發(fā)利用，既可以解決居民用能問題，又可通過工廠的化工產(chǎn)品生產(chǎn)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益，也為農(nóng)村剩余勞動力提供就業(yè)機會。因此，從生態(tài)環(huán)境和能源利用角度出發(fā)，建立能源材基地，實施"林能"結合工程，是切實可行的發(fā)展方向。
以上就是天禹智控關于“生物質(zhì)熱解能源——節(jié)能環(huán)保新途徑"的淺談，天禹智控專注于氣體濃度監(jiān)測行業(yè)經(jīng)驗，以強大的研發(fā)能力、優(yōu)質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品線及完善的服務保障系統(tǒng)，贏得了廣大客戶的支持與喜愛，天禹產(chǎn)品廣泛應用于環(huán)保、冶金、石化、化工、能源、食品、農(nóng)業(yè)、交通、水利、建筑、制藥、釀造、航空及科學研究等眾多行業(yè)并出口到德、美、英、韓、印度、馬來西亞等20多個國家和地區(qū)。
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