生物質熱解氣化原理與技術-緒論

2024年3月23日發(作者：激勵孩子的話)

生物質熱解氣化原理與技術

第一章 緒論

生物質能是綠色植物通過光合作用轉換和儲存下來的太陽能，是重要的可再生能源，也

是人類最早主動利用的能源，在人類文明史中起到了重要的作用。至今，生物質能仍然是世

界上消費量位居第四的一次能源，在我國農村和發展中國家得到廣泛應用。

傳統生物質能利用方式主要是家用爐灶中的直接燃燒，是自然經濟生活方式的延續。現

代生物質能技術包括熱化學轉換和生物化學轉換兩大類。其中熱化學轉換技術與化石燃料技

術有很強大的兼容性，在許多方面可以替代化石燃料，實現可持續發展和低碳排放，為人們

所重視。

生物質熱解氣化是熱化學轉換的重要技術方向，經過科學家和工程師們的長期努力，已

經發展成為一個豐富多彩的技術門類，出現了形式多樣的裝置和工程實例，生產出熱力、電

力、液體燃料、氣體燃料等品位較高的二次能源，還有許多新型技術在開發之中。

生物質熱解氣化技術的發展

一切有生命的或者曾經有生命的物質都是生物質，這是一個包羅萬象的總概念，但是只

有那些可以作為燃料的固體生物質才被用作熱化學過程。固體生物燃料主要包括：（1）木本

原料，即樹木和各種采伐、加工殘余物；（2）草本原料，即草類、秸稈和各種加工殘余物；

（3）果殼類原料，如板栗殼、棕櫚殼、花生殼等；（4）混雜燃料。

[1]

生物質熱解氣化是通過熱化學過程轉變固體生物質的品質和形態，使其應用起來更加方

便、高效和清潔的技術。

基本技術形式

形形色色的生物質熱解氣化技術都是從熱解和氣化兩個基本技術形式派生出來的，反應

過程中不供應足夠的氧氣，以獲得含有化學能的可燃燒產物為目的。

1．生物質熱解

生物質熱解是在熱作用下生物質中有機物質發生的分解反應。在高溫下，構成生物質的

大分子碳氫化合物化學鍵斷開，裂解成為較小分子的揮發物質，從固體中釋放出來。熱解開

始溫度為200～250℃，隨著溫度升高，更多的揮發物質釋放出來，而揮發物質質也被進一步

裂解，最后殘留下由碳和灰分組成的固體物質。揮發物質中含有常溫下不可凝結的簡單氣體，

如H

2

、CO、CO

2

、CH

4

等，也含有常溫下凝結為液體的物質，如水、酸、碳氫化合物和含氧

化合物等。因此生物質熱解同時得到固體、氣體和液體三種形態的產物，三種產物的得率取

決于溫度、加熱速率等工藝參數。

熱解發生的唯一條件是較高溫度，這也是所有生物質熱化學轉換工藝的基本條件。在燃

燒（氧化）或者氣化（部分氧化）工藝中，溫度升高后生物燃料首先發生熱解，然后才與氧

接觸，發生反應，因此不能以是否隔絕空氣作為熱解的條件。即使是獨立的熱解工藝，有時

也需要加入少量空氣。生物燃料的揮發分高達70～80%，大部分物質可以通過熱解轉變為揮

發物質，因此在燃燒和氣化過程中，熱解也起著重要的作用，這一點與煤炭的燃燒和氣化是

不同的，因為煤炭的揮發分含量小得多。

生物質熱解工藝是以熱解為主要反應的工藝，目的是通過有機物質的裂解得到期望的目

標產物。為了盡量減少因氧化造成的物質損失，熱解工藝通常需要隔絕空氣。有時為減少提

升溫度的能源消耗，也供應少量空氣，但整個過程仍以熱解為主。根據加熱速率，熱解工藝

可以分為慢速熱解、常速熱解和快速熱解三種。

生物質慢速熱解是一種以生成木炭為目的的工藝，也叫做炭化工藝。低溫干餾的加熱溫

度為500～580℃，中溫干餾溫度為660～750℃，高溫干餾的溫度為900～1100℃

[2]

。將木材

放在干餾窯內，在隔絕空氣的情況下加熱，或者在初期通入少量空氣，使少部分生物燃料燃

燒以得到熱量，然后封閉。慢速熱解的加熱速率在1℃/s以下，整個反應時間可能長達數小

時至數天。慢速熱解可以得到占原料質量30%～35%的木炭，同時得到木醋液、焦油和少量

熱解氣

[3]

。

生物質快速熱解是反應速率非常高的熱解工藝，其反應條件為：（1）隔絕空氣；（2）非

常高的加熱速率，通常在100～200℃/s以上，甚至超過1000℃/s（閃速熱解）；（3）嚴格控

制的反應溫度，一般在500℃左右；（4）急劇冷卻，在0.5s內淬冷至350℃以下

[4]

。快速熱

解使大分子有機物在隔絕空氣的條件下迅速斷裂為短鏈分子，產生大量可凝性揮發分、部分

小分子氣體和以及少量焦炭。可凝性揮發分被快速冷卻成可流動的液體，稱為生物油或熱解

油，其比例可達原料質量的40%～70%。熱解油為棕黑色黏性液體，熱值為20~22 MJ/kg，

可直接作為燃料使用，也可以精制成為石油替代物。為獲得很高的加熱速率，需要將生物燃

料磨成細粉，并采用專門設計的反應器。

生物質常速熱解的升溫速率介于慢速熱解和快速熱解之間，一般在1～10℃/s之間，通

常并不刻意控制升溫速率，而是控制反應溫度和燃料在反應器中的停留時間。對于不同的工

藝目的，反應溫度范圍為450～900℃，反應時間為1～15min。常速熱解需要隔絕空氣，得

到固體、氣體和液體三種形態的產物，隨著反應溫度升高，氣體產物比例明顯增加而固體和

液體產物減少。常速熱解得到低位熱值為12～18MJ/Nm

3

的燃氣，比空氣氣化的燃氣熱值高

得多，可以作為制取高品質燃氣的氣化方法。常速熱解與氣化相結合，構成兩步法氣化工藝，

能夠獲得焦油含量極低的燃氣。

2．生物質氣化

生物質氣化是以空氣、富氧空氣、氧氣、空氣和水蒸氣、氧氣和水蒸汽等作為氣化劑，

在高溫條件下通過熱化學反應將生物燃料轉化為燃氣的過程。氣化工藝能夠將固體生物燃料

轉化為使用方便的氣體燃料或合成原料氣，使燃料的化學能轉移到燃氣中，轉換效率達到

70～90%，因此是一種高效率的轉換方式。

生物質氣化過程是熱解、氧化、還原、變換等許多反應的組合，反應路線復雜。總的過

程可以概括為：生物燃料遇熱后首先發生熱解，隨后發生熱解產物和木炭的燃燒，最后燃燒

產物被碳還原，生成以CO、H

2

、CH

4

為主要可燃成分的生物質燃氣。

氣化反應體系中，氧化反應提供著其他反應所需要的熱量，是推動過程進行的關鍵，使

整個氣化過程成為一個自供熱系統。但氣化時提供的氧氣量總是不足以使生物燃料完全燃

燒，氣化供氧量與完全燃燒需氧量的比值一般0.2～0.3之間，這個比值稱作當量比ER，是

氣化過程的重要參數。許多人將氣化過程叫做部分氧化過程，道理正在于此。

大多數生物質氣化工程使用空氣為氣化劑。空氣中含有79%的氮，它不參加反應，卻稀

釋了燃氣中的可燃成分。空氣氣化產生的燃氣中，氮氣含量在50%左右，只能獲取低位熱值

為5～6 MJ/Nm

3

的低熱值燃氣，大致相當于發生爐煤氣。熱值低固然是一個缺點，但由于空

氣可以任意取用，因此是最簡單易行的氣化方式，應用得最為普遍。

使用氧氣為氣化劑時，避免了氮的稀釋，同樣的當量比下，反應溫度提高，反應速率加