生物质热化学转化利用研究现状与发展

罗先智，周东一，吴源泉，袁嘉炜，万 华，尹向群

（1.邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳422000；2.邵阳学院高效动力系统智能制造湖南省重点实验室，邵阳，422000；3.厦门航空酒店管理有限公司，福建 厦门361000；4.国家能源集团宝庆煤电有限公司，湖南 邵阳422000）

快速的工业化和社会生活水平的提高导致对能源的需求也在增加，以化石燃料为主要来源。化石燃料的大量消费会导致资源的枯竭、空气的污染、全球气候变暖以及对环境造成不可挽回的损害。因此，开发利用可再生能源，从而促进能源的可持续性发展，减少全球环境问题，已成为解决能源问题的战略选择。生物质是一种很有前景的绿色燃料，地球上生物资源非常丰富，植物经过光合作用每年大约生成总量1440 亿～1700 亿吨（干重）的生物质。但是目前对生物质利用率还很低，大多是单纯燃烧，而且当生物质直接用作生物燃料时，它面临着几个严重的问题，例如高的水分和氧气含量，低的热值以及高度可变的组成和性能[1]，因此寻找更加高效的利用方式是我们目前应该解决的难题。生物质的热化学转化是使用生物质作为生物燃料克服上述问题的可行途径。热化学转化的主要目标是通过优化过程参数来减少不需要的副产物。在热化学转化过程中应用热和化学过程来生产高质量和高能量密度的生物燃料。常见的生物质热化学转化利用包括液化、热解、气化和燃烧。

1 生物质的热解

热解是在无氧或少氧条件下加热生物质，破坏有机物聚合物的结合状态，将其分解为低分子物质，并发生小分子合成大分子的过程，热解过程可以同时得到液（生物油）、气（热解气）和固（生物炭）三相反应产物。热解技术适用对象广泛，下图是生物质热解过程。

图1 生物质热解及其产物的应用

辛子扬等[2]从生物油、可燃气体和高附加值碳材料三个方面阐述了如何通过微波手段提高生物油的品质、获得最大产率和富含H2、CO 的可燃气体以及制备高附加值材料的清洁碳源。刘灿等[3]研究了不同烟草生物质热解时释放致香物质的异同，发现升高热解温度有利于获得相对较高含量的热解成分，且提高热解温度利于产生酮类致香物质。Li 等[4]通过使用FeCl3作为催化剂对生物质废物进行催化热解发现木质素衍生炭的表面活化能从73.29mNm-1明显降低至19.25mNm-1，且水接触角增大，从而容易地合成超疏水性碳材料。张瑞璞等[5]分析了玉米秆和准东煤共热解特性，发现玉米秆与准东煤共热解时存在协同作用，当玉米秆与准东煤的掺混比小于0.4 时，玉米秆的添加可以促进样品的热解失重，且掺混比等于0.2时促进作用最好。综上所述，通过对实验样品进行微波预处理或添加催化剂以及与其他化石燃料共热解等手段可以获得更优质的热解产物。

2 生物质燃烧

燃烧是应用最广泛的生物质转换方式，但生物质燃料的含水率和氧含量比较高，因此生物质直接燃烧产生的热值要远低于化石能源的热值，这导致生物质的利用率降低。由于不同生物质之间以及生物质与化石燃料之间的潜在的协同作用可能是抵消生物质直接燃烧时存在的问题的可行方法[6]，近几年有关生物质与其他燃料共燃的研究迅速增加。

Areeprasert 等[7]将造纸污泥与两种不同等级的煤共燃，发现两者共燃不但降低了燃煤中NOx的排放，还减少了未燃尽碳损失。且经水热处理的纸污泥与煤混合燃烧的性能更好。Chang 等[8]研究了稻草和木材与煤共燃，结果表明木材具有较高的热值而灰分较少，比稻草更适合与煤共烧。烘焙可以提高生物质的热值并使其性质均匀，有利于共烧。这些发现将有助于固体生物燃料/煤共燃燃烧的合理设计和合理运行，以促进生物质和相关生物废物材料的共燃应用。尹艳山等[9]研究了玉米秸秆和造纸污泥及其混合物的燃烧动力学，发现在造纸污泥的掺混比为20%和50%时发生了相互作用且在20%时共燃的综合燃烧特性指数最高的和平均活化能最低。王华山等[10]研究了不同煤和生物质共燃特性，发现两者共燃时煤的燃烧性能有所改善；提高升温速率，混合物的反应活化能进一步降低且综合燃烧特性指数增大。

因此，在实际应用中需要将生物质与其他燃料以合适的比例混合，合适的反应条件，共燃才能达到最好的效果。

3 生物质气化

生物质气化是将生物质加热到700℃以上以获得气体产物，该气体产物也可以转化为液体运输燃料。下图是生物质的气化过程。

图2 生物质气化过程图

高嘉楠等[11]介绍了生物质气化的基本原理以及气化工艺类型，分析了几种类型气化炉的工作原理和优缺点。M. Shahabuddin 等[12]发现生物质和残留废物由于其可再生性和低碳性而适用于合成航空燃料并比较了几种适用于从生物质和固体废物的气化生产航空燃料的气化技术，分析结果表明流化床气化技术由于它可以按比例放大到大容量的能力处于首选地位。Ishaq[13]提出了一种基于生物质气化的热电发电机集成系统。分析和验证了所提出的基于生物质气化的系统中热电发电机的新型集成，并讨论了在降低碳排放量的情况下提高效率和能源使用的可能性。Ren 等[14]阐明了生物质气化和合成气甲烷化的发展，介绍了气化过程中常见的反应器以及用于气化和合成气甲烷化的先进活性催化剂。并提出了发展焦油裂解和新型催化剂以促进气化过程的清洁和高效运行。刘志章等[15]讨论了生物质气化技术在燃煤工业锅炉节能改造中的应用情况，发现以木片为生物质气化原料的经济效益非常明显，蒸汽成本只有天然气锅炉的一半左右，投资回收期不到半年，市场潜力很大，表明该项目运行具有良好的发展前景。

4 生物质液化

生物质液化是在一定的温度和压力下把固态生物质在溶剂（有机物或水）中解聚得到液态产物（生物油）。液化技术可以将高含水率（70%以上）的生物质直接转化为生物原油，极具潜力，近几年引起了人们的广泛关注。

图3 生物质水热液化图

Demirbas 等[16]研究了木质素含量不同的生物质的液化，发现随着木质素含量的增加，油的产率降低，而焦炭的产率提高。Breunig 等[17]研究了使用不同的非均相催化剂和不同木质素类型的生物质液化。结果表明木质素和富含木质素的生物质可在使用钼酸和硫化铁催化剂的条件下被液化，可以很好地获得液态油产品。Mathanker 等[18]研究了玉米秸秆的水热液化（HTL），发现在300℃，2200psi 的终压和保留0 分钟时重油产率最高。在350℃，终压为3150psi 和保留15 分钟时烃类收率最高。重油的GC-MS 分析结果表明大多数都是酚类化合物。申瑞霞等[19]阐述了生物质水热液化研究的最近进展，分析了生物质水热液化产物的分离流程，重点说明了水热液化的四种产物（气体，水相产物，生物原油，固体残渣）的产物特性和利用方式。

5 总 结

生物质热化学转化利用不仅仅改善了生物质原料不易运输、储存，资源分散和原料热值低和成分复杂等特点，还能得到可燃气体、生物油以及生物炭等化工原料，以改善能源结构，具有经济和环境的双重效益。我国的生物质资源是非常广泛的，虽然已经在生物质的开发利用方面取得了一定进展，但和发达国家还有一定差距。因此进一步深入研究生物质热化学转化利用机理，以实现生物质热化学转化过程中更高的目标产物选择性、稳定性、经济性，从而实现生物质的热化学转化利用工业化和自动化。