高新源，徐慶，2，李占勇，2，田瑋，2，張建國(guó)

（1天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

生物質(zhì)快速熱解裝置研究進(jìn)展

高新源1，徐慶1，2，李占勇1，2，田瑋1，2，張建國(guó)1

（1天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

當(dāng)今化石能源日漸枯竭和環(huán)境壓力日益加重是亟待解決的問題，而生物質(zhì)熱解液化技術(shù)被認(rèn)為是解決能源緊張的潛在方法，尤其是生物質(zhì)快速熱解技術(shù)。隨著生物質(zhì)快速熱解技術(shù)與工藝不斷成熟，需要快速熱解裝置不斷放大以提高處理量，以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)快速熱解的工業(yè)化。生物質(zhì)快速熱解裝置復(fù)雜且多樣化，在裝置的放大過程中，各系統(tǒng)的合理選擇是難點(diǎn)。本文首先對(duì)生物質(zhì)熱解機(jī)理、快速熱解過程的粒徑選擇和前處理進(jìn)行了簡(jiǎn)述，并對(duì)快速熱解流程中的進(jìn)料系統(tǒng)、供能系統(tǒng)、熱解反應(yīng)器和快速冷凝系統(tǒng) 4個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行了綜述，著重介紹了快速熱解反應(yīng)器的類型及其特點(diǎn)，提供了該 4個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)的選擇及研究趨勢(shì)。流化床反應(yīng)器具有易放大、可以較好地實(shí)現(xiàn)自熱式快速熱解的優(yōu)點(diǎn)，本文總結(jié)出流化床式反應(yīng)器是目前研究的熱點(diǎn)。在保證產(chǎn)品品質(zhì)下，設(shè)備易放大、穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)自熱式、流程能耗低、運(yùn)行穩(wěn)定安全等是快速熱解裝置未來的研究方向。

生物質(zhì)；快速熱解裝置；流化床反應(yīng)器；自熱式

當(dāng)今化石能源日漸枯竭，環(huán)境壓力日漸嚴(yán)重，生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用越來越引起國(guó)內(nèi)外政府與學(xué)者的重視［1］。中國(guó)政府將農(nóng)作物殘留［2］和林業(yè)廢棄物［3］作為很有前途的可再生能源，并制定相應(yīng)的政策提高農(nóng)林生物質(zhì)利用效率。

生物質(zhì)熱解技術(shù)是把低能密度生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為高能密度產(chǎn)物以及高附加值化學(xué)品的一種新型生物質(zhì)能利用技術(shù)?？焖贌峤馐巧镔|(zhì)在無氧的環(huán)境下快速加熱至500℃左右，生物質(zhì)會(huì)快速裂解為熱解氣和生物炭，保證較少的停留時(shí)間，熱解氣快速冷卻得到生物油［4］，快速熱解要求顆粒尺寸小于1mm［5］。

快速熱解主要以制備生物油為目的，生物油中含氧量可達(dá) 35%～60%［6］，水分含量可達(dá) 15%～30%，黏度較大、穩(wěn)定性差［7］。這些特性限制了生物油的應(yīng)用，需要研發(fā)各種生物油精煉方法?？焖贌峤飧碑a(chǎn)物生物炭也有較高的價(jià)值。生物炭廣泛應(yīng)用于催化劑載體、電池電極、氣體儲(chǔ)存［8-9］和提高土壤質(zhì)量［10］。此外，DIDEM［11］研究得出生物炭可以替代傳統(tǒng)化石燃料，ALVAREZ等［12］研究得出在稻殼熱解生物炭中有大量 Si含量，可以獲得無定形氧化硅。

生物質(zhì)快速熱解技術(shù)需要設(shè)備裝置的支持，裝置直接影響生物質(zhì)熱解產(chǎn)品的得率與品質(zhì)以及各系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。圖1為典型快速熱解流程，本文主要對(duì)其中的進(jìn)料系統(tǒng)、供能系統(tǒng)、熱解反應(yīng)器和快速冷凝系統(tǒng)4個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行了綜述，并提供了該4個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)的選擇及研究趨勢(shì)。

圖1 典型的快速熱解裝置流程

1 生物質(zhì)快速熱解及熱解機(jī)理

在快速熱解過程中，生物質(zhì)在無氧的環(huán)境下快速加熱至 500℃左右，生物質(zhì)會(huì)快速裂解為熱解氣和生物炭，保證較小的熱解氣停留時(shí)間（＜2s），快速冷卻得到生物油。生物質(zhì)快速熱解的產(chǎn)品得率和品質(zhì)主要影響因素是生物質(zhì)原料的選擇，過程參數(shù)的選擇及熱解設(shè)備的選擇。過程參數(shù)主要包括加熱速率、熱解溫度和熱解氣停留時(shí)間［13］。

生物質(zhì)一般包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素 3種主要組分，當(dāng)生物質(zhì)超過 150℃時(shí)，纖維素就會(huì)發(fā)生緩慢熱解，在溫度低于 300℃時(shí)，纖維素的熱解主要包括聚合度的降低、自由基的形成、分子間或分子內(nèi)的脫水、CO2和CO的形成等反應(yīng)，脫水后的纖維素容易發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，最終形成焦炭［14］。當(dāng)溫度超過 300℃后，纖維素的熱解速度大幅提高，且開始形成較多的液體產(chǎn)物，并在500℃左右的中溫?zé)峤鈪^(qū)域得到最大的液體產(chǎn)率。在熱解初期，纖維素聚合度降低形成活性纖維素［15］，之后解聚形成各種脫水低聚糖、以左旋葡聚糖，毗喃環(huán)的開裂以及環(huán)內(nèi)C—C鍵的斷裂而形成羥基乙醛（HAA）為主的各種小分子醛、酮、醇、酯等產(chǎn)物［16］。

對(duì)于半纖維素的快速熱解，一般都認(rèn)為具有和纖維素相似的反應(yīng)機(jī)理。不同生物質(zhì)原料的半纖維素主要包括甘露聚糖和木聚糖，根據(jù) ALEN等［17］的研究，甘露聚糖和纖維素會(huì)形成較為相似的熱解產(chǎn)物，而木聚糖和纖維素的熱解產(chǎn)物差別較大。

對(duì)于木質(zhì)素，一般在200℃左右發(fā)生初始熱解，但其大量熱解需要較高的溫度，比纖維素大量熱解的溫度高，木質(zhì)素是生物質(zhì)3種主要組分中熱穩(wěn)定性最好的組分。木質(zhì)素的快速熱解中焦炭的得率高，主要因?yàn)槟举|(zhì)素是一種芳香族高分子化合物，其裂解比纖維素和半纖維素中糖苷鍵的斷裂困難。木質(zhì)素快速熱解形成的液體產(chǎn)物有大分子木質(zhì)素?zé)峤獾途畚?，也稱熱解木質(zhì)素；單分子揮發(fā)性酚類物質(zhì)；小分子物質(zhì)，如甲醇、乙酸等，其中低聚物的產(chǎn)率最高，一般在常規(guī)生物油中含量可達(dá) 13.5%～27.7%［18］。

2 生物質(zhì)原料及預(yù)處理

在生物質(zhì)快速熱解液化中，不同生物質(zhì)原料，對(duì)熱解產(chǎn)品尤其是生物油產(chǎn)率和品質(zhì)影響較大。比如 ERTAS等［19］用月桂提取物快速熱解在熱解溫度為 500℃下得到最大生物油產(chǎn)率為 21.9%，而AMUTIO等［20］用松木鋸末快速熱解在熱解溫度為500℃下得到最大生物油產(chǎn)率為 75%。各種生物質(zhì)的成分主要為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，但各組分差異較大，對(duì)于林業(yè)木屑類生物質(zhì)纖維素所占比例在40%～50%以上，而農(nóng)業(yè)生物質(zhì)所含纖維素一般在30%～40%，且農(nóng)業(yè)生物質(zhì)一般含有大量半纖維素。因此，在生物質(zhì)快速熱解液化中林業(yè)生物質(zhì)選擇較多。

2.1 生物質(zhì)粒徑選擇

生物質(zhì)原料的粒徑選擇對(duì)生物質(zhì)熱解產(chǎn)品影響較大，尤其是對(duì)生物油產(chǎn)量。因?yàn)榭焖贌峤庑枰獦O快的加熱速率，而較小的粒徑可以增加物料的加熱速率。SCOTT等［21］和NIK-AZAR等［22］研究得出快速熱解中生物油的得率隨著生物質(zhì)原料粒徑的增加而減少，較大的粒徑會(huì)導(dǎo)致熱解氣的二次裂解。NIK-AZAR等［22］研究得出當(dāng)生物質(zhì)原料粒徑從53～66μm增加到 270～500μm時(shí)，生物油得率從53%降到38%。雖然小顆?？梢詼p少生物質(zhì)熱解氣的二次裂解，提高生物油產(chǎn)率，但是細(xì)小顆粒的成本也較高，對(duì)粉碎機(jī)類型及粉碎機(jī)的壽命要求較高。粒徑的不同對(duì)于熱解裝置的選擇也有較大影響，對(duì)于熱解反應(yīng)器，旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器要求物料粒徑較小，而噴動(dòng)床反應(yīng)器則可處理大顆粒物料，但大顆粒物料不利于進(jìn)料和分離等單元操作。

2.2 干燥和烘培預(yù)處理

生物質(zhì)原料中水分含量較高，若直接熱解，水分最終會(huì)進(jìn)入熱解產(chǎn)品生物油中，從而會(huì)降低生物油的熱值及品質(zhì)。此外，水分的蒸發(fā)阻礙了熱解反應(yīng)的發(fā)生，降低傳熱速率，因此原料的預(yù)干燥是不可缺少的步驟［23］。王賢華等［24］研究表明微波干燥的速率是熱風(fēng)干燥速率5倍以上，微波干燥改善了原料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，有效抑制生物油蒸汽的二次裂解反應(yīng)，有利于纖維素和半纖維素的熱解，提高生物油產(chǎn)量。但同時(shí)微波干燥成本會(huì)增加。此外，利用熱解流程中的余熱干燥生物質(zhì)原料也是研究的熱點(diǎn)。

烘培預(yù)處理可以有效控制生物質(zhì)中的水分，降低快速熱解得到生物油的氧及乙酸含量［25］，增加了生物油的熱值，烘焙預(yù)處理可以提高生物油品質(zhì)，為快速熱解制取生物油提供工藝的優(yōu)化。

3 快速熱解流程裝置

各種處理規(guī)模的快速熱解裝置流程見圖 2～圖6。圖2為哥倫比亞大學(xué)MONTOYA等［26］研發(fā)的裝置，處理量為 2～5.3kg/h，特點(diǎn)是螺旋進(jìn)料器連續(xù)進(jìn)料，反應(yīng)器為鼓泡流化床，N2作為流化氣體，電加熱，加砂輔助，旋風(fēng)分離器分離；間接快速冷凝。圖3為西班牙巴斯克大學(xué)RUTH等［27］研發(fā)的裝置，處理量為 25kg/h，特點(diǎn)是二級(jí)螺旋進(jìn)料器連續(xù)進(jìn)料，不可冷凝氣體作為流化氣體，反應(yīng)器為噴動(dòng)床，電加熱，加砂輔助，二級(jí)旋風(fēng)分離固體，生物油噴淋冷卻。圖4是山東理工大學(xué)YI等［28］研發(fā)的裝置，處理量為110.5kg/h，特點(diǎn)是螺旋進(jìn)料器連續(xù)進(jìn)料，生物質(zhì)燃燒提供熱量，陶瓷球作為熱載體加熱生物質(zhì)，熱解反應(yīng)發(fā)生在下流的管中，快速間接水冷。圖 5是中國(guó)科技大學(xué)陸強(qiáng)［29］研發(fā)的裝置，處理量120kg/h，特點(diǎn)是二級(jí)螺旋進(jìn)料器連續(xù)進(jìn)料，不可冷凝氣體作為流化氣體，反應(yīng)器為流化床，焦炭燃燒提供熱量，加熱流化氣體，二級(jí)旋風(fēng)分離固體，生物油噴淋冷卻加水冷。圖6是DIETRICH等［30］開發(fā)的生物質(zhì)快速熱解工業(yè)規(guī)模流程圖，處理量為50000t/a，工藝特點(diǎn)為不可冷凝氣體攜帶氣動(dòng)進(jìn)料，燃燒生物炭加熱砂子供能，沙子循環(huán)作為熱載體，生物油自噴淋冷凝熱解氣。由此可見，隨著生物質(zhì)處理規(guī)模的增加，熱解裝置及其附屬裝置（進(jìn)料、供熱、冷凝系統(tǒng)）也隨之復(fù)雜。同時(shí)隨著處理規(guī)模的增加，熱解流程中的關(guān)鍵系統(tǒng)包括進(jìn)料系統(tǒng)、供能系統(tǒng)、熱解反應(yīng)器、快速冷凝系統(tǒng)的選型需要重點(diǎn)考慮。

圖2 哥倫比亞大學(xué)MONTOYA開發(fā)的裝置［26］

圖3 西班牙巴斯克大學(xué)RUTH研發(fā)的裝置［27］

圖4 山東理工大學(xué)YI研發(fā)的裝置［28］

圖5 中國(guó)科技大學(xué)陸強(qiáng)研發(fā)的裝置［29］

圖6 DIETRICH開發(fā)的生物質(zhì)快速熱解工業(yè)規(guī)模流程圖［30］

3.1 進(jìn)料系統(tǒng)

進(jìn)料系統(tǒng)是整個(gè)熱解裝置流程穩(wěn)定運(yùn)行的前提。在生物質(zhì)快速熱解中，二級(jí)螺旋進(jìn)料器為常用的進(jìn)料裝置，第一級(jí)定量進(jìn)料，主要確定進(jìn)料量；第二級(jí)為快速進(jìn)料，主要防止生物質(zhì)在進(jìn)入反應(yīng)器前高溫?zé)峤廛浕?/p>

一級(jí)螺旋進(jìn)料器也可應(yīng)用于生物質(zhì)快速熱解進(jìn)料系統(tǒng)，但需要在螺旋進(jìn)料器外殼添加冷卻水套，防止生物質(zhì)物料提前加熱。車顏喆等［31］采用帶冷卻水套一級(jí)螺旋進(jìn)料器為進(jìn)料系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的生物質(zhì)快速熱解裝置處理量可達(dá)150kg/h。

對(duì)于秸稈和木屑類農(nóng)林生物質(zhì)，在螺旋進(jìn)料器中易出現(xiàn)阻塞，郭曉慧等［32］改進(jìn)了螺旋進(jìn)料器和氣力輸送二級(jí)進(jìn)料方式，可以明顯解決物料的易堵塞。

對(duì)于熱解反應(yīng)器，尤其是流化床和噴動(dòng)床，進(jìn)料位置需要合理選擇。對(duì)于流化床，進(jìn)料位置大部分選擇在分布板之上，這樣會(huì)增加物料在床內(nèi)密相區(qū)的時(shí)間，熱解充分；而對(duì)于噴動(dòng)床反應(yīng)器，進(jìn)料位置可以選在床的頂部，該區(qū)域氣體氣速低，溫度低，有利于進(jìn)料。

在噴動(dòng)床或流化床內(nèi)都需要流化氣體，內(nèi)部存在壓力，這阻礙物料的進(jìn)料，RUTH等［27］采用旋轉(zhuǎn)閥解決物料反噴問題。而在反應(yīng)器內(nèi)溫度較高，螺旋進(jìn)料器與噴動(dòng)床或流化床反應(yīng)器直接相連，會(huì)被加熱，導(dǎo)致生物質(zhì)提前熱解軟化阻塞通道。當(dāng)選取的熱解溫度較高時(shí)尤為明顯，而且高溫對(duì)螺旋進(jìn)料器的材質(zhì)選取也有影響?？梢圆捎媒^熱連接解決，但需要保證連接的密封性。

3.2 供能系統(tǒng)

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室小試生物質(zhì)熱解研究，供能方式大部分選擇電加熱。電加熱簡(jiǎn)單易操作，對(duì)于處理量較小實(shí)驗(yàn)室和小試生物質(zhì)熱解研究適合，但對(duì)于處理量較大的中試甚至工業(yè)化研究，電加熱成本太高。生物質(zhì)熱解所需的熱量是比較少的，何芳等［33］研究得出將1kg干小麥秸稈粉從初始室溫303K升到主要熱解反應(yīng)完成的溫度 673K，所需提供的熱量為523kJ，包含了加熱小麥秸稈的熱量和樣品熱解的熱量。Dynamotive公司在流化床小試裝置上的能量衡算表明，生產(chǎn) 1kg生物油所需提供的全部熱量為2.5MJ［34］。生物質(zhì)快速熱解產(chǎn)品中，生物油一般為50%～80%，生物炭的熱值高于30MJ/kg，因此每公斤生物質(zhì)快速熱解的副產(chǎn)物焦炭和燃?xì)獾目偰芰看笥谄錈峤馑璧臒崃?，這樣為自熱式熱解裝置提供了可能。

中試以上生物質(zhì)熱解裝置流程的供能方式主要通過燃燒快速熱解副產(chǎn)物焦炭［29］，不可冷凝氣體中可燃?xì)怏w、或部分生物質(zhì)［28］。加拿大 Dynamotive公司實(shí)驗(yàn)得出不可冷凝的可燃?xì)怏w燃燒僅可以提供生物質(zhì)熱解需要能量的75%，但采用氣體燃燒方式較易加熱。對(duì)于旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器熱解裝置，循環(huán)流化床熱解裝置采用快速熱解副產(chǎn)物焦炭燃燒提供能量，焦炭的熱值較高，高于 30MJ/kg，可以提供生物質(zhì)熱解需要能量。循環(huán)的可燃?xì)怏w組成復(fù)雜，可利用性差，價(jià)值低于生物炭。因此最佳自熱式供能方式可以選擇焦炭和燃?xì)夤餐紵峁┠芰?。YI等［28］采用燃燒生物質(zhì)的方式提供能量，該方法成本廉價(jià)，但會(huì)使設(shè)備復(fù)雜化。

以上幾種供能方式的共同特點(diǎn)是提供的熱量不穩(wěn)定，難以保證快速熱解均勻及穩(wěn)定性；此外直接提供能量會(huì)使副產(chǎn)物中的水分等最終進(jìn)入生物油中，影響油的品質(zhì)；燃燒不完全的氣體會(huì)在快速熱解中起催化作用。因此，在中試以上規(guī)模的生物質(zhì)快速熱解過程很少將熱解高溫?zé)煔庵苯庸┠軣峤馍镔|(zhì)，而是加熱惰性氣體［29］、熱載體（如砂子［27］和陶瓷球［28，31］）、金屬壁面（燒蝕反應(yīng)器）間接加熱。在自熱式熱解裝置中加熱砂子和陶瓷球較多，因?yàn)樯白雍吞沾汕虻臒崛菝黠@大于氣體的，可以提高設(shè)備處理能力，而且砂子和陶瓷球在流化床或噴動(dòng)床內(nèi)同時(shí)作為輔助流化介質(zhì)，尤其是對(duì)于木屑、秸稈等難流化的生物質(zhì)。對(duì)于燒蝕反應(yīng)器，美國(guó)可再生資源實(shí)驗(yàn)室（NREL）［35］和英國(guó)Aston大學(xué)［36］研究較多，該研究主要難點(diǎn)是如何使生物質(zhì)顆粒和高溫壁面緊密接觸良好而不脫離。

3.3 快速熱解反應(yīng)器

快速熱解反應(yīng)器是快速熱解系統(tǒng)的核心，熱解反應(yīng)器的類型和加熱方式等決定了生物質(zhì)熱解效率及最終產(chǎn)品的分布。生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器類型較多，主要的快速熱解反應(yīng)器有燒蝕式熱解反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、流化床熱解反應(yīng)器等。各個(gè)快速熱解反應(yīng)器設(shè)計(jì)或選擇都應(yīng)基于提高傳熱速率，減少停留時(shí)間，減少二次裂解，提高產(chǎn)品品質(zhì)，易放大，處理粒徑較廣等要求；自熱式主要是通過燃燒生物炭或不可冷凝熱解氣體提供所需熱解熱量，降低成本，降低能耗。

3.3.1 旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器

旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器是由荷蘭Twente大學(xué)和Biomass Technology Group（BTG）公司共同開發(fā)的。旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器原理如圖 7所示，在旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器中，生物質(zhì)顆粒與惰性熱載體一同喂入反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)錐的底部，生物質(zhì)顆粒會(huì)在旋轉(zhuǎn)錐中螺旋上升，過程中生物質(zhì)被迅速加熱、裂解，熱解氣由導(dǎo)出管進(jìn)入旋風(fēng)分離器，分離生物炭后通過冷凝器凝結(jié)為生物油，生物炭和熱載體進(jìn)入燃燒室燃燒，提供熱解溫度［37-39］。

圖7 旋轉(zhuǎn)錐熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)一套旋轉(zhuǎn)錐熱解裝置，熱解松木木屑，粒徑為0.2mm，處理量可達(dá)26.4kg/h。在反應(yīng)器溫度為 600℃，旋轉(zhuǎn)錐頻率為 10Hz條件下，生物油、不可冷凝氣體及木炭的得率分別為53.37%、21.45%和 25.16%［40］。李濱等［41］自主研發(fā)了 ZKR-200A型旋轉(zhuǎn)錐式生物質(zhì)閃速熱解制油裝置，對(duì)四種生物質(zhì)原料進(jìn)行了熱解制油實(shí)驗(yàn)，物質(zhì)的處理能力為183.7kg/h。

旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器一般不需要載氣，結(jié)構(gòu)緊湊，減少了成本；旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器將快速熱解副產(chǎn)物焦炭燃燒，提供熱源，加熱惰性載體，然后惰性載體接觸加熱生物質(zhì)，加熱效率高，生物質(zhì)加熱速率快，且可以保證固體和熱解氣在旋轉(zhuǎn)錐內(nèi)停留時(shí)間較短，減少了對(duì)熱解氣的二次催化裂解，提高生物油的得率和品質(zhì)。但旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器要求物料粒徑較小，設(shè)備復(fù)雜，且設(shè)備放大較難［42］。

3.3.2 燒蝕熱解反應(yīng)器

燒蝕熱解反應(yīng)器研究比較著名的有美國(guó)可再生資源實(shí)驗(yàn)室（NREL）和英國(guó)Aston大學(xué)。燒蝕熱解反應(yīng)器主要技術(shù)難點(diǎn)是如何使生物質(zhì)顆粒和高溫壁面在具有一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的情況下緊密接觸而不脫離，一般是通過機(jī)械力或離心力的作用而實(shí)現(xiàn)。NREL采用離心力的作用，Aston大學(xué)采用機(jī)械力。

圖8為美國(guó)可再生資源實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的燒蝕渦流熱解反應(yīng)器。氮?dú)饣蜻^熱蒸汽攜帶生物質(zhì)物料進(jìn)入反應(yīng)器，在高速離心力的作用下，在高溫反應(yīng)器壁上發(fā)生燒蝕和熱解。未完全熱解的物料經(jīng)過循環(huán)回路重新熱解。物料顆粒在外力作用下，高速運(yùn)動(dòng)摩擦，物料粒徑不斷減小，因此燒蝕反應(yīng)器對(duì)物料粒徑要求不太高。NREL在2003年建成熱解裝置規(guī)模為 20kg/h，在管壁溫度 625℃時(shí)，液體產(chǎn)率可達(dá)55%［35］。

Aston大學(xué)設(shè)計(jì)的燒蝕反應(yīng)器如圖 9，動(dòng)力來自機(jī)械力，機(jī)械力帶動(dòng)物料與高溫壁面接觸、反應(yīng)。整個(gè)過程不需要?dú)怏w通入，簡(jiǎn)化了操作流程，降低了成本。Aston大學(xué)設(shè)計(jì)了處理量為2.5kg/h的燒蝕反應(yīng)器，液體產(chǎn)物可達(dá)81%［36］。

圖8 NREL燒蝕渦流反應(yīng)器熱解流程

圖9 Aston燒蝕反應(yīng)器示意圖

燒蝕反應(yīng)器熱源為高溫壁面，生物質(zhì)與高溫壁面接觸快速熱解，設(shè)備簡(jiǎn)單緊湊，物料加熱速率快，可以提高生物油的得率。采用機(jī)械力的燒蝕反應(yīng)器可以保證生物炭的快速移除，從而減少了熱解氣的二次裂解。但整個(gè)過程需要保證生物質(zhì)和高溫壁面緊密接觸，這是設(shè)計(jì)和控制的難點(diǎn)。

3.3.3 流化床熱解反應(yīng)器

對(duì)于流化床熱解反應(yīng)器，快速熱解過程中需要足夠的流化氣體，保證物料的流態(tài)化。供熱方式為加熱流化氣體或加熱流化床床體，在加熱流化床床體時(shí)需要預(yù)熱流化氣體，以免引起流化床床內(nèi)溫度下降。

（1）鼓泡流化床熱解反應(yīng)器 鼓泡流化床研究較早，較成熟，結(jié)構(gòu)運(yùn)行簡(jiǎn)單，易放大。Dynamotive公司已經(jīng)在加拿大Ontario省建立了日處理100t木屑的鼓泡流化床工業(yè)示范裝置，生物油產(chǎn)率在60%以上，油品用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電［43］。但鼓泡流化床也有明顯缺點(diǎn)，適宜小顆粒熱解反應(yīng)，對(duì)顆粒粒徑要求高。當(dāng)物料顆粒較大時(shí)，積炭難以被流化氣體和熱解氣帶出，引起熱解氣嚴(yán)重的二次裂解，而密度較小的顆粒會(huì)在流化床上部懸浮，并催化裂解熱解氣，導(dǎo)致生物油產(chǎn)率下降，品質(zhì)降低。

此外，在設(shè)備放大時(shí)必須考慮供熱方式的選擇。電加熱方式雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但對(duì)大容量系統(tǒng)不可行，Dynamotive采用燃?xì)馊紵鬅煔馔ㄟ^煙管間接加熱床料，在中式規(guī)模的鼓泡床反應(yīng)器上取得良好的操作性能，但煙氣中的過?？諝鈺?huì)氧化熱解產(chǎn)物［44］。

在鼓泡流化床快速熱解過程中如何解決氣固傳熱效率是研究重點(diǎn)，因此在鼓泡流化床反應(yīng)器中會(huì)加入石英砂，一方面輔助流化，另一方面作為熱載體，增強(qiáng)加熱速率。

（2）循環(huán)流化床熱解反應(yīng)器 這一類熱解反應(yīng)器又可分為循環(huán)傳輸床反應(yīng)器和循環(huán)流化床反應(yīng)器，其實(shí)原理相同。加拿大Ensyn公司在循環(huán)傳輸床快速熱解系統(tǒng)研究較早。在循環(huán)傳輸床中布置了燃燒室，由沙子直接加熱生物質(zhì)，增大加熱速率。熱載體砂子隨著熱解副產(chǎn)物生物炭一起被吹出反應(yīng)器，在旋風(fēng)分離器中熱解氣和生物炭沙子分離，生物炭和沙子一起進(jìn)入燃燒室，生物炭燃燒釋放的熱量加熱砂子，熱砂子返回流化床反應(yīng)器提供熱解所需的能量，就構(gòu)成一個(gè)完整的循環(huán)過程。循環(huán)傳輸床在生物質(zhì)熱解技術(shù)中應(yīng)用有較大優(yōu)勢(shì)，可以增大生物質(zhì)的處理量，處理量可達(dá)4000kg/h。但砂子的傳輸及加熱溫度需要嚴(yán)格控制，因此整個(gè)系統(tǒng)操作復(fù)雜，能耗較大。

希臘可再生能源中心（GRES）研究的循環(huán)流化床將鼓泡流化床和高速流化床串聯(lián)起來，利用生物炭燃燒提供熱解所需熱量，在循環(huán)流化床內(nèi)應(yīng)用了提升管技術(shù)，加快傳熱效率。該試驗(yàn)系統(tǒng)處理能力為10kg/h［45］。

中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所（GIEC）自主研制了生物質(zhì)循環(huán)流化床液化小型裝置，以石英砂作為循環(huán)介質(zhì)，進(jìn)料速率為5kg/h，反應(yīng)溫度500℃左右，可獲得63%的液體產(chǎn)率［44］。循環(huán)流化床將反應(yīng)器和燃燒室結(jié)合為一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)緊湊熱量損失小，但是操作過程復(fù)雜。RUTH等［27］指出循環(huán)流化床熱解生物質(zhì)中動(dòng)力學(xué)較復(fù)雜，且制備的生物油產(chǎn)品含碳率較高。在循環(huán)流化床熱解過程中，空氣容易從燃燒室進(jìn)入反應(yīng)器，引起熱解產(chǎn)品得率降低。

此外，循環(huán)流化床需要的氣體流量較大，成本較高。

（3）噴動(dòng)床熱解反應(yīng)器 西班牙巴斯克大學(xué)主要研究噴動(dòng)床快速熱解反應(yīng)器，研究了不同的噴動(dòng)床錐角、不同的噴嘴直徑、在噴動(dòng)床內(nèi)添加導(dǎo)向管等影響。西班牙巴斯克大學(xué)的RUTH等［27］等設(shè)計(jì)制作處理量為25kg/h的噴動(dòng)床熱解反應(yīng)器。噴動(dòng)床的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵點(diǎn)，該裝置中在噴動(dòng)床內(nèi)加導(dǎo)向管，改善了噴動(dòng)的穩(wěn)定性，并且降低了最小噴動(dòng)速率，該噴動(dòng)床錐角選擇為 32°，直徑為 242mm，高度為1030mm。噴動(dòng)床內(nèi)放置6 kg石英砂，平均粒徑為1.05mm，實(shí)驗(yàn)得到在480℃時(shí)，液體產(chǎn)物得率達(dá)到65.8%。

圖10是ALVAREZ等［46］等設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的噴動(dòng)床熱解裝置，處理量為 300g/h，但在供能系統(tǒng)方面，巴斯克大學(xué)的大量研究都選擇了電加熱。生物質(zhì)熱解制備的生物炭可用于污水處理，吸附污水中的金屬離子。實(shí)驗(yàn)得到在 500℃時(shí)，液體產(chǎn)物得率最大為77%。

噴動(dòng)床反應(yīng)器主要優(yōu)點(diǎn)是噴動(dòng)床內(nèi)的噴動(dòng)循環(huán)可以有效增加生物質(zhì)的傳熱傳質(zhì)速率，減少氣體停留時(shí)間［20，47］，提高生物油的得率和品質(zhì)；噴動(dòng)床反應(yīng)器可以有效處理不規(guī)則顆粒，細(xì)小顆粒或黏性顆粒［48-49］；噴動(dòng)床反應(yīng)器容易放大。

表2總結(jié)了近幾年流化床快速熱解反應(yīng)器（包括鼓泡流化床反應(yīng)器，循環(huán)流化床，噴動(dòng)床反應(yīng)器）的研究結(jié)果。由表 2可知，不同的生物質(zhì)原料在流化床熱解反應(yīng)器制備的生物油得率和品質(zhì)都較高，流化床技術(shù)適宜應(yīng)用于生物質(zhì)的快速熱解。流化床式反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)有傳熱系數(shù)高，不含運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、工作可靠性大、運(yùn)行壽命長(zhǎng)等，除此之外，流化床熱解反應(yīng)器處理量大，且易放大。

但是流化床反應(yīng)器需要流化氣體，進(jìn)而增加了熱解能耗。隨著熱解裝置放大，供能方式和流化氣體成本需要重點(diǎn)考慮，而流化床熱解裝置可以較好地實(shí)現(xiàn)自熱式，熱解副產(chǎn)物生物炭燃燒作為熱源，不可冷凝熱解氣循環(huán)作為流化氣體。在各類快速熱解反應(yīng)器中，流化床熱解反應(yīng)器應(yīng)用前景光明。

3.4 快速冷凝系統(tǒng)

快速冷凝系統(tǒng)是在快速熱解制備生物油設(shè)備中的關(guān)鍵，高溫?zé)峤鈿饨?jīng)過快速冷凝才能得到生物油。快速熱解過程中熱解氣需要快速冷凝以減少二次反應(yīng)，增加生物油得率［4］，從而提高生物油產(chǎn)率和品質(zhì)。

快速冷凝方法有直接接觸冷凝，間接冷凝和結(jié)合聯(lián)用冷凝［60-61］等方法。直接接觸冷凝方法為熱解氣與冷凝介質(zhì)直接接觸，冷凝介質(zhì)一般選擇生物油［62-63］，將快速冷凝得到的生物油霧化噴淋作為冷凝介質(zhì)。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，易清洗維修，成本低，但是生物油在循環(huán)過程中會(huì)出現(xiàn)老化，甚至變質(zhì)。在直接接觸冷凝中，為了提高冷凝效率，可采用篩板式塔冷凝［31］。

圖10 噴動(dòng)床生物質(zhì)熱解裝置

表2 流化床反應(yīng)器及特點(diǎn)

間接快速冷凝法常采用列管式冷凝器［64］或板式冷凝器。該方法的特點(diǎn)是傳熱效率高，但缺點(diǎn)是冷凝管易發(fā)生阻塞，除污維修困難。

結(jié)合聯(lián)用法是霧化噴淋和冷凝器結(jié)合使用，首先將冷凝介質(zhì)（生物油）霧化，噴淋髙溫?zé)峤鈿?，霧化液滴與熱解氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，熱解氣迅速降溫從而抑制其發(fā)生縮合縮聚反應(yīng)，當(dāng)熱解氣中的微小顆粒與液滴相碰后被收集；之后采用降膜冷凝，一方面使高溫的生物油冷卻，另一方面使低沸點(diǎn)組分的蒸汽在液膜界面進(jìn)一步冷凝。2013年，中國(guó)科技大學(xué)朱錫鋒教授采用噴霧降膜復(fù)合式冷凝，建成了年產(chǎn)10000t生物油熱解示范工程并投入穩(wěn)定運(yùn)行。

在中試以上規(guī)模的生物質(zhì)快速熱解裝置中，快速冷凝方法的選擇應(yīng)主要考慮冷凝效果及產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)及使用成本、維修及清理難易等。

快速熱解制備的生物油氧和水分含量都較高、熱值低，黏度較大，穩(wěn)定性差。這些特性都限制了生物油的應(yīng)用，需要研發(fā)各種生物油精制方法。許多研究者綜述過生物油精制的方法［65-67］，主要的精制方法包括催化加氫、催化裂解、催化酯化、添加溶劑、乳化、脫水等。

4 結(jié) 語

在生物質(zhì)快速熱解裝置的放大過程中，各系統(tǒng)復(fù)雜且多樣化，如何選擇各系統(tǒng)是關(guān)鍵。本文綜述了生物質(zhì)快速熱解裝置中進(jìn)料系統(tǒng)、供能系統(tǒng)、熱解反應(yīng)器、快速冷凝系統(tǒng)等4個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)的選擇及研究趨勢(shì)，著重介紹了快速熱解反應(yīng)器的類型及其特點(diǎn)。

隨著設(shè)備處理規(guī)模的不斷增大，對(duì)于進(jìn)料系統(tǒng)，螺旋進(jìn)料器是首選，但要解決好物料的提前熱解及阻塞問題；對(duì)于供能系統(tǒng)，自熱式是研究趨勢(shì)，電加熱的成本太高；對(duì)于快速熱解反應(yīng)器，流化床反應(yīng)器是研究的熱點(diǎn)，流化床反應(yīng)器擁有處理粒徑范圍廣、易放大、可以較好的實(shí)現(xiàn)自熱式等特點(diǎn)，應(yīng)用前景光明；對(duì)于快速冷凝系統(tǒng)，主要考慮冷凝效果及產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)及使用成本、維修及清理難易。在保證產(chǎn)品品質(zhì)下，設(shè)備易放大、穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)自熱式、流程能耗低、運(yùn)行的穩(wěn)定安全等是快速熱解裝置未來的研究方向。

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Progress in the study of biomass fast pyrolysis equipment

GAO Xinyuan1，XU Qing1，2，LI Zhanyong1，2，TIAN Wei1，2，ZHANG Jianguo1
（1College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China；2Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and On-line Monitoring for Light Industry & Food Machinery and Equipment，Tianjin 300222，China）

Nowadays，the increasing depletion of fossil energy and increasing environmental pressure are urgent problems to be solved，and biomass pyrolysis technology is considered a potential solution to the energy shortage，especially fast pyrolysis technology. With biomass fast pyrolysis technology continuing to mature，fast pyrolysis equipment needs to continuously enlarge to increase treatment capacity，so as to realize industrialization. Because biomass fast pyrolysis equipment is complex and various，the rational choice of each system was difficult in the scale up process. This paper reviewed the pyrolysis mechanism，the particle size selection，pretreatment，four key systems including the feeding system，the energy supply system，the pyrolysis reactor，and the fast condensation system in the fast pyrolysis process，emphatically introducing the types and characteristics of the fast pyrolysis reactor. This paper provided the choices and research trends of the four key systems，and found out that the fluidized bed reactor was the first choice，because the fluidized bed reactor was easy amplification and can easily realize self-heating. In addition，to ensure the quality of products，the easily enlargingequipment，stable self-heating process，and low energy consumption，stable and safe operation is the future direction of research for fast pyrolysis.

biomass；fast pyrolysis equipment；fluidized bed reactor；self-heating

TK 6

A

1000-6613（2016）10-3032-10

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.004

2016-03-09；修改稿日期：2016-04-18。

天津市人才引進(jìn)與科技合作計(jì)劃國(guó)際科技合作項(xiàng)目（14RCGFGX00850）及國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2014GB2A100526）。

高新源（1988—），男，博士研究生，研究?jī)?nèi)容為生物質(zhì)熱解技術(shù)。聯(lián)系人：李占勇，博士，教授，研究方向?yàn)槟茉从行Ю眉碍h(huán)境保護(hù)技術(shù)、干燥技術(shù)、吸附技術(shù)（活性炭）、流態(tài)化工程、粉體技術(shù)、固態(tài)發(fā)酵裝備。E-mail zyli@tust.edu.cn。