预处理技术在生物质热裂解中的应用.doc
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1、预处理技术在生物质热裂解中的应用摘要:生物质能源是一种新型绿色可再生能源,对其开发利用已成为国内外研究热点。笔者综述了预处理技术在生物质热裂解领域中的相关应用及发展现状,重点分析比较了物理预处理、化学预处理及生物预处理等技术对热裂解产物的影响,归纳总结了生物质热裂解预处理技术的发展趋势,即根据生物质的物化特性和热裂解目标产物来选用不同的预处理方式。随着世界经济的快速发展,人们对石油、煤炭等化石燃料的需求日益增大,这使得化石资源的储存量逐年减少。化石燃料的消耗也带来了严重的环境污染问题,如雾霾天气、温室效应和酸雨等。因此,开发利用一种环境友好的可再生能源迫在眉睫。生物质能源在本质上直接或间接地来
2、源于植物的光合作用,是世界第四大能量资源,具有来源广泛、储量丰富、无污染、可生物降解等众多优点1-2。生物质能源可以通过热化学降解转化为高性能的液体或气体燃料,并从中提取多种高附加值化学品。由此可见,生物质能源将成为一种很重要的新型能源3。生物质在生长过程中需要吸收各种无机元素维持生命,使得生物质中灰分的含量较高。生物质热裂解过程中,这些无机元素会造成积灰、结渣等反应器运行问题,同时灰分对后续产物加工利用会造成不利影响,大大限制了生物质能源的高效利用。此外,生物质资源虽然总量巨大,但普遍具有含氧量高、能量密度低及不易储存和运输等缺点。因此,必需通过生物质预处理改变其复杂物理结构和化学成分,以便
3、提高生物质热裂解制备目标产物的品质。合理的生物质预处理可改良生物质的一些物理化学性质,包括颗粒度、水分、灰分和挥发分等,从而改变生物质热裂解产物的性质,如生物油的稳定性、热值和黏度等4-7。目前常用的生物质预处理方法主要有物理法预处理、化学预处理法及生物预处理法等。笔者主要综述了目前已有的生物质预处理技术,对比探讨了不同的预处理技术对热裂解过程和产物的影响及其优缺点,展望了生物质热裂解预处理技术的发展趋势。1物理预处理法物理预处理法是目前最简单的生物质预处理方法,物理预处理法不断发展创新,主要分为机械粉碎法、烘焙预处理法以及辐射预处理法。1.1机械粉碎法机械粉碎法是指用切割、粉碎和研磨等方法对
4、生物质原料进行机械处理,以达到降低原料颗粒尺寸及结晶度的目的。机械粉碎法具有操作简单、不改变原材料的理化性质、无污染和成本低等优点,成为使用最广泛的预处理方式。球磨粉碎和锤磨粉碎是常用的粉碎方式,与简单的切割和粉碎相比,球磨粉碎更有利于破坏生物质原料的细胞结构。锤磨粉碎后的样品粒径较大且不均匀,C和O的含量比球磨粉碎高,灰分含量降低。龚春晓等8发现球磨粉碎不仅能破坏细胞壁的结构,还能破坏纤维素的晶体结构,将结晶态纤维素转化为无定形态纤维素,显著降低结晶度,使其热稳定性降低,从而降低热解温度。Ibrahim9进一步研究发现在球磨过程中,细胞壁结构被破坏是因为细胞壁中纤维素链的氢键在球磨过程中被损
5、坏。虽然机械粉碎法已被证实能有效破坏原料细胞结构和降低结晶度,但是当生物质原料颗粒细小到一定程度后,继续粉碎对原料细胞结构和结晶度的影响逐渐减小,反而处理成本明显增加。在众多生物质预处理方法中,机械粉碎法的能耗最大,这也大大地限制了机械粉碎法在实际生产中的应用,这种方法并不适用于所有的生物质原料,尤其是在处理质地坚硬的原材料时应该避免使用机械粉碎法。1.2烘焙预处理烘焙干燥技术是将生物质在常压和惰性气氛中进行的一种低温热处理方式10,反应温度介于200300之间11-12,旨在去除生物质中的水分和挥发分,以达到提高生物质原料热解性能的目的。一方面水分会降低传热速率,影响生物质热裂解;另一方面,
6、生物质原料中的水分含量关系到热裂解产物生物油的含水率。含水率高会降低生物油的使用性能,同时还会对生物油的储存产生不利影响11。在烘焙干燥过程中主要发生半纤维素脱水反应、脱羟基反应和脱乙酰基反应,同时产生大量的CO2和水蒸气,使得C元素增加,O元素减少,能提高生物质的可磨性13和疏水性14,从而改善生物质原料的热解性能。Couhert等15考察生物质的烘焙特性发现烘焙处理后木屑的挥发分从原始的84.2%降到75.7%,氧碳比从原始的0.88下降至0.83。Bridgeman等16通过热重分析仪也发现了同样的现象,因为生物质原料中的水分和有机分子的脱水反应是导致生物油含水量高的原因,所以烘焙干燥也
7、能有效地减少热解生物油中的水分含量。温度和时间是影响烘焙效果最主要的因素。Felfil等17发现烘焙温度低于220时,对热裂解的影响较小,碳元素在270时达到最大值。Prins等18以柳树木屑为原材料,发现烘焙降低了H/C和O/C比值,使得烘焙后的固体物热值升高。同时,热解产物生物油中的乙酸含量逐渐增加,在290时,乙酸含量达到最大值。陈登宇等19发现随着温度的升高,热裂解液体产物的颜色加深,这主要是因为反应过程中发生了脱羧基反应和CC键、环内CO键的断裂,生成醚、醛、酸等物质。杨晴等12进一步研究了烘焙温度对生物质热解过程及产物特性的影响,发现乙酸含量增加的同时,酚类产物的含量也增加,即烘焙
8、能促进CH4和H2的生成,提高生物油的品质和热值。陈登宇等20随后又以稻壳为原材料深入研究,发现在260时,随着烘焙时间的延长,灰分的含量上升,C含量降低,O含量上升,并且烘焙时间对灰分、C和O的影响要比温度的影响弱的多。总体来说,烘焙干燥能有效提高生物质的热值,提高生物质热解产物的品质,但仅靠单一的烘焙干燥处理,对热解产物性质的改善程度有限。因此,可以考虑将烘焙干燥与其他预处理技术相结合,以得到更优的生物油品质。1.3辐射预处理辐射预处理是一种有效的预处理方式,目前比较常用的有微波辐射和高能辐射。微波是一种具有穿透特性的电磁波,频率范围是300MHz300GHz(波长1mm1m),且方向和大
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- 预处理 技术 生物 裂解 中的 应用