生物质热解反应器的研究进展

武文琴

摘 要：文章综述了国内外几种典型的生物质快速热解反应器。通过比较，提出了未来生物质热解反应器研究的主要方向和发展趋势。

关键词：生物质；热解；能源

中图分类号：TQ3512 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0006-02

1 概 述

化石能源经过近两百年的使用，不仅导致了环境污染，破坏了生态系统，而且面临枯竭困境。生物质快速热解作为一种可将生物质直接转化为液体生物油储存的新型工艺，以其独特的优势受到越来越多的关注。

生物质快速热解是指在中温（400～600 ℃）无氧条件下将生物质颗粒（一般要求粒径d<2 mm）迅速（停留时间t<2 s）热解成蒸气，然后蒸汽快速冷凝液化的过程。热解产物主要有生物油、焦炭和不凝性气体。高的生物质颗粒加热速率（1 000 ℃/s左右）、快的热解可挥发物冷凝速度（停留时间控制在1 s以内）和稳定的热解温度（550～650 ℃）是最大限度地提高生物油得率的关键。而快速热解反应器又是实现这三个条件的核心[1]，热解产物各成分的得率很大程度上决定于采用什么样的热解反应器及反应器的加热方式。本文主要对近年来热解反应器的研究成果进行了简要总结和分析。

2 生物质热解反应器

2.1 鼓泡流化床反应器

鼓泡流化床是迄今研究得较多的热解反应器类型。主要通过反应器底部沸腾状态下的流化床载体（传热介质）提供生物质颗粒热解反应所需的热量。

鼓泡流化床反应器上世纪80年代开发于加拿大Waterloo大学[2]，旨在通过该反应器达到最大限度利用木质生物质材料生产生物油的目的。

西班牙Union Fenosa公司、英国Wellman公司都研发了较好的中试装置（约250 kg/h）。此外，还有中国科技大学建立的650 kg/h的流化床热解装置[3]。巴西Campinas大学建成的一套100 kg/h的热解装置[3]等。

鼓泡（流化）床简单易制，但同时也需要较小粒径的原料、高效的焦炭分离设备，因而前处理成本较高。由于热量是从外部传至流化床，大型化后床内传热不佳也是一个亟待解决的问题。

2.2 循环流化床反应器

循环流化床反应器通过在流化床内部对生物质进行流态化并热解。加拿大Ensyn公司建立了一套4 000 kg/h的循环流化床热解装置供研究用[4]。该公司还在加拿大安大略省建有处理量分别为50 t/d和70 t/d的生物质热解工厂。

希腊可再生能源中心也研制了生产能力为10 kg/h的循环流化床反应器。Velden等[5]通过模拟循环流化床反应器快速热解生物质的过程，发现在反应温度为500～510 ℃时，生物油的产率最高可达70%。

循环流化床停留时间短，传热效率高且可使用较大粒径的物料，但高效焦炭分离设备导致的高成本及大型化后床内传热的问题成了循环流化床反应器工业化的最大瓶颈。

2.3 旋转锥反应器

旋转锥反应器中的热解反应是通过生物质与热砂子沿着旋转的高温锥壁在离心力作用下进入反应器底部发生的，离心力在此反应器中起动力作用。

由荷兰Twente大学发明研制。旋转锥反应器在热解温度为600 ℃、停留时间为1 s时，生物油产率达60%。BTG公司制造了一套2 000 kg/h的旋转锥热解装置。沈阳农业大学1995年从BTG引进了一套给料量为50 kg/h的旋转锥反应器；在“863”计划支持下，东北林业大学研制出了处理量为200 kg/h的旋转锥式生物质热解装置[6]。

旋转锥反应器的最大优点是其无需通入载气，因而得以节约大量成本，但系统较复杂，对设备材料的耐热隔热要求甚高，在高温下运行容易出故障，因而难以用于大规模工业生产。

2.4 移动床反应器

移动床反应器是在反应器顶部连续加入生物质颗粒，颗粒逐渐下移，最后自底部连续卸出。气体自下而上通过反应器以进行反应。安徵易能建立了3套600 kg/h的移动床快速热解装置[3]。

移动床反应器在生物质热解中主要采用固逆流接解，热利用率高，可利用生物质颗粒粒径范围较宽，固体颗粒可实现连续化运动。但固体加入和排出装置较复杂，压降较大，对反应器密闭性要求较高。

2.5 其他反应器

此外，热辐射反应器、烧蚀式反应器等都是目前研发得较多的热解反应器。

目前，我国研究较多的反应器有旋转锥反应器和流化床反应器，但研究水平还相对较低，与国外差距较大，因而还有大量的工作要做。

3 结 语

目前，对生物质快速热解反应器的研发是生物质快速热解的热点，但由于生物质复杂的组成和性质，热解反应过程异常复杂，简单的反应式和模型很难对起进行描述，导致对生物质热解机理的研究相对滞后，成为了制约热解技术水平提高和发展的最大短板。

化石能源经过近两百年的使用，不仅导致了环境污染，破坏了生态系统，而且面临枯竭困境。生物质快速热解作为一种可将生物质直接转化为液体生物油储存的新型工艺，以其独特的优势受到越来越多的关注。

生物质快速热解是指在中温（400～600 ℃）无氧条件下将生物质颗粒（一般要求粒径d<2 mm）迅速（停留时间t<2 s）热解成蒸气，然后蒸汽快速冷凝液化的过程。热解产物主要有生物油、焦炭和不凝性气体。高的生物质颗粒加热速率（1 000 ℃/s左右）、快的热解可挥发物冷凝速度（停留时间控制在1 s以内）和稳定的热解温度（550～650 ℃）是最大限度地提高生物油得率的关键。而快速热解反应器又是实现这三个条件的核心[1]，热解产物各成分的得率很大程度上决定于采用什么样的热解反应器及反应器的加热方式。本文主要对近年来热解反应器的研究成果进行了简要总结和分析。

对此，今后，要将生物质热解机理方面的研究作为生物质快速热解取得突破的关键，通过进一步探明机理对更有效地推进生物质快速热解反应器的研究。

参考文献：

[1] 朱锡锋，李明.生物质快速热解液化技术研究进展展[J].石油化工，

2013，（8）.

[2] Scott D S， Piskorz J， Radlein D. Liquid products from the comtinuo

us flash pyrolysis lf biomass[J].Industrial&Engineering Chemistry

Process Design and Development，1985，（3）.

[3] Scott D S，Majerski P， Piskorz J，et al.A second look at fast pyrolys

is of biomass-the RTI process[J]. Journal of Analytic al and Applied

Pyrolysis，1999，（1-2）.

[4] Brigewater A V. Review of fast pyrolysis lf biomass and product

upgrading[J]. Biomass and Bioenergy， 2012，（3）.

[5] Velden M V ，Baeyens J， Boukis I. Modeling CFB biomass pyrolysis

reactors[J].Biomass Bioenergy，2008，（2）.

[6] 王黎明，王述洋.国内外生物质热解液化装置的研发进展[J].太阳能学 报，2006，（11）.