生物质热裂解过程的节能与优化

王晓英，王宇光，刘 颖，谷新春

(1.吉林工商学院 食品工程分院，吉林 长春130062;2.中国化学赛鼎宁波工程有限公司，浙江 宁波315040)

0 引言

生物质是一切有生命的，可以生长的有机物质的通称，是一种分布于世界各地的、普遍的、年年再生的无限产品［1］。秸秆是生物质的一种，是洁净的可再生能源，它的开发利用越来越受到人们的关注。我国作为农业大国，生物质资源十分丰富，每年农作物秸秆产量达7亿多吨，其中大部分被废弃燃烧，不仅污染环境，而且由于热效率低，造成能源的浪费。目前，生物质秸秆资源利用已成为国内外众多学者研究的焦点，生物质热裂解液化技术已被认为是最具发展潜力的生物质能技术之一，这一技术存在的问题是快速裂解的条件较难控制，热能利用率较低，因此，高效、综合地提高热裂解过程中的热能利用率，是生物质热裂解中急待解决的难题之一［2］。

1 生物质热裂解过程

生物质热裂解液化技术是在无氧或者缺氧的条件下，以103～104℃/s的加热速率将生物质加热至450～600℃，使生物质发生分子键断裂、异化和小分子聚合等复杂的化学反应，生成小分子气体(生物气)、可凝性挥发组分(生物油)及固体产物(焦炭)。因为固相在热裂解炉停留时间较长，二次、三次甚至多次裂解不可避免，产生小分子气体的量就越多，液体的量就越少。所以，生物质热裂解液化工艺条件十分苛刻，要求严格控制加热速率、反应温度以及固相停留时间和气相滞留时间［3］。

在生物质的转化工艺中，生物质热裂解技术是最具发展潜力的前沿技术之一。该技术能以连续的工艺和工厂化的生产方式将以农作物秸秆为主的低品位能源转化为高品质的易储存、易运输、能量密度高且使用方便的代用液体燃料——生物油。生物油不仅可直接用于现有锅炉和燃气透平等设备的燃烧，而且可以通过进一步改进加工，使液体燃料的品质接近于柴油或汽油等常规动力燃料的品质。相比于常规的化石燃料，生物油因其所含的硫、氮等有害成分极其微小，可视为21世纪的绿色燃料。同时，热裂解产生的副产品还有同样具有商业价值的中热值的燃烧气和炭。生物质热裂解加工及其产品见图1［4］。

图1 生物质热裂解加工及其产品Fig.1 Biomass pyrolysis processing and its products

2 生物质热裂解的节能与优化研究

近年来，由于能源逐渐匮乏，环境污染日趋严重，节能减排越来越受到人们的重视。因此，工业的节能降耗具有重要的经济效益和社会效益。目前，人们纷纷从各种途径寻找降低生产过程能耗的办法，并取得了很好的效果。夹点技术就是目前应用最广泛的热集成技术之一，它是将热力学原理和系统工程相结合，对工程系统的能量进行优化配置，提高系统的能量利用率，从而降低能耗［5］。

夹点技术是英国学者Linhoff于20世纪70年代在总结前人研究基础之上提出的，并逐渐发展成为一整套换热网络的设计法。该技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给以解“瓶颈”的一种方法。夹点技术以整个系统为出发点，同以前只着眼于局部，只考虑某几股热流的回收、某个设备或车间的改造的节能技术相比，节能效果和经济效益要显著得多。应用夹点技术可以方便地找出换热网络中不合理的用能设备，对优化换热网络提供指导，使能量达到最大回收［6］。夹点分析时，将物流数据输入到夹点分析软件Aspen Energy Analyzer中进行处理，得到组合曲线夹点图。从图中得到冷公用工程用量、热公用工程用量、夹点温度、最小传热温差等参数，从图中找出换热网络的用能问题。

胡爱娟等利用夹点技术的人工神经网络法，研究糠醛渣(玉米芯和植物纤维)热裂解反应特性，预测生物质热裂解的产品分布和产量，为生物质热裂解过程的能量优化分析提供了基础性研究数据［7］。

生物质热裂解是一个吸热过程，需要源源不断地向反应器内提供热量。不同的研究表明，生物质热裂解所需的热量是比较少的，如NREL的研究得出，生物质快速热裂解所需的能量仅为230 kJ/kg;何芳等利用同步热分析仪确定小麦秸秆从303 K到773 K过程的升温和热裂解所需的总热量为558 kJ/kg［8］;Dynamotive公司在流化床小试装置上的能量衡算表明，生产1 kg生物油所需提供的全部热量为2.5 MJ［9］。生物质快速热裂解一般得到50%～70%(wt)的生物油，其余产物为焦炭和燃烧气，每kg生物质热裂解得到的焦炭和燃烧气的总能量大于其热裂解所需要的热量，这表明完全可以利用热裂解副产物来为生物质热裂解提供能量，从而实现生物质的自热式热裂解［10］，达到节能的目的。

图2为自热式生物质热裂解工艺流程。裂解炉出来的烟气在空气预热器中与冷空气换热，冷空气被加热后送入裂解炉，空气预热器中排出的烟气，经烟气冷却器冷却至150℃以下后，送入地槽对物料进行干燥，同时将物料间隙中的空气置换出来，降低氧的含量，避免氢原子与氧原子结合生成水。从裂解炉出来的裂解产物在旋风分离器中进行气固分离，炭粉送至炭粉冷却器，冷却后的炭粉进入炭粉除尘器分离，夹带炭粉的燃气送回裂解炉以调整裂解炉用热。从旋风分离器中分离出的气态生物质送精馏洗涤塔洗涤，塔顶排出的气体经冷凝器冷凝后进入油水分离器，分离出轻质油。精馏洗涤塔塔底的重油经冷却后得到重油产品。

图2 自热式生物质热裂解工艺流程Fig.2 Biomass pyrolysis thermal cycle process

自热式生物质热裂解工艺的主要特点是:热裂解炉用自身产生的燃气加热，不需要任何化石燃料;热量被充分利用，可通过调节裂解温度，调整所产生燃气的比率，一方面满足生产过程用热，一方面使装置的产油率最高;整个装置不排放任何污染物，洗涤塔底流出的含渣高沸点产物量少，且可作为锅炉燃料油使用。因此，该工艺流程能高效、综合地提高热裂解过程中的热能利用率，从而降低生产成本，提高炭、可冷凝气体和可燃气体或生物质燃料的产出率和质量。

李滨等利用ZRS200型锥式生物质闪速热裂解装置对生物质热裂解气液化冷凝技术进行了深入研究，该装置由喂入、反应器和收集三个主要部分组成，热裂解温度600℃。热裂解气的冷凝采用直混式对喷冷凝塔，使得从旋风分离器分离出来的热裂解气体，在冷凝塔中与冷的生物油直接接触，并在1～2 s内迅速冷凝成生物油［11］。这种直接接触式换热设备具有结构简单，没有间接换热热阻，传热效率高，节能效果明显等特点。图3为ZRS200型锥式生物质闪速热裂解工艺流程。

图3 ZRS200型锥式生物质闪速热裂解工艺流程Fig.3 Biomass flash pyrolysis ZRS200Cone type process

青岛科技大学丁赤民等研发了下吸式移动床生物质秸秆闪速热裂解工艺［12］，该工艺结合了自热式生物质热裂解工艺和ZRS200型锥式生物质闪速热裂解工艺特点，采用裂解产生的燃气作为裂解炉热源，燃烧后的气体用于脱除生物质原料中的空气，同时对原料进行预热;部分生物油循环，直接用于裂解气的洗涤，提高热利用率，达到节能目的。目前，该工艺已实现工业化生产。

图4为下吸式移动床生物质闪速热裂解工艺流程。

图4 下吸式移动床生物质闪速热裂解工艺流程Fig.4 Biomass flash pyrolysis moving bed process

3 结束语

目前，世界各国都在对可再生能源进行研究，生物质秸秆作为一种洁净能源，其利用时SO2、NO2等危害气体排放量极小，而且具有CO2零排放的优点［13］。生物质热裂解过程依靠自身产生的热量进行供热，没有外界能量的输入，真正实现了节能减排。随着技术的不断进步和秸秆清洁能源成本的降低，我们深信，清洁秸秆能源的利用具有美好的前景。

［1］齐国利，董梵，徐艳英.生物质热裂解气化技术现状、应用和前景［J］.节能技术，2004，22(5):17－19.

［2］段佳，罗永浩，陈祎.生物质燃料再燃研究进展［J］.热能动力工程，2006，21(3):227－230.

［3］建方方，谷丽娜，王静.高效催化剂催化裂解玉米秸秆［J］.能源工程，2010(4):35－36.

［4］BRIDGWATERAV.Catalysis－inthermal－biomassconversion［J］.AppliedCatalysisA:Gen，1994(116):45－47.

［5］冯霄.化工节能原理与技术［M］.北京:化学工业出版社，2010，4:156－158.

［6］高维平，杨莹，韩方煜.换热网络优化节能技术［M］.北京:中国石化出版社，2006:27－81.

［7］胡爱娟，刘杨.基于RBF神经网络生物质半焦产量的预测［J］.山东建筑大学学报，2012(2):238－239.

［8］Diebold J P，Czernik S.Additives to lower and stabilize the viscosity of pyrolysis oils during storage.Energy＆Fuels 1997，11，(5):1081－1091.

［9］Ba T Y，Chaala A，Garcia－Perez M，Rodrigue D，Roy C.Colloidal properties of bio－oils obtained by vacuum pyrolysis of softwood bark.Characterization of water－soluble and water－insoluble fractions.Energy＆Fuels 2004，18，(3):704－712.

［10］陆强.生物质选择性热裂解液化的研究［D］.合肥:中国科学技术大学，2010:29－30.

［11］李滨，王述洋.ZRS200型锥式生物质闪速热裂解装置液化冷凝技术的研究［J］.林业机械与木工设备，2006(1):16－18.

［12］王伟文，冯小芹，段继海.秸秆生物质热裂解技术的研究进展［J］.中国农学通报，2010，27(6):355－361.

［13］周勇.清洁生物质秸秆能源研究进展［J］.应用化工，2005(10):34.