生物质热解气化原理与技术-绪论

2024年3月23日发(作者：激励孩子的话)

生物质热解气化原理与技术

第一章 绪论

生物质能是绿色植物通过光合作用转换和储存下来的太阳能，是重要的可再生能源，也

是人类最早主动利用的能源，在人类文明史中起到了重要的作用。至今，生物质能仍然是世

界上消费量位居第四的一次能源，在我国农村和发展中国家得到广泛应用。

传统生物质能利用方式主要是家用炉灶中的直接燃烧，是自然经济生活方式的延续。现

代生物质能技术包括热化学转换和生物化学转换两大类。其中热化学转换技术与化石燃料技

术有很强大的兼容性，在许多方面可以替代化石燃料，实现可持续发展和低碳排放，为人们

所重视。

生物质热解气化是热化学转换的重要技术方向，经过科学家和工程师们的长期努力，已

经发展成为一个丰富多彩的技术门类，出现了形式多样的装置和工程实例，生产出热力、电

力、液体燃料、气体燃料等品位较高的二次能源，还有许多新型技术在开发之中。

生物质热解气化技术的发展

一切有生命的或者曾经有生命的物质都是生物质，这是一个包罗万象的总概念，但是只

有那些可以作为燃料的固体生物质才被用作热化学过程。固体生物燃料主要包括：（1）木本

原料，即树木和各种采伐、加工残余物；（2）草本原料，即草类、秸秆和各种加工残余物；

（3）果壳类原料，如板栗壳、棕榈壳、花生壳等；（4）混杂燃料。

[1]

生物质热解气化是通过热化学过程转变固体生物质的品质和形态，使其应用起来更加方

便、高效和清洁的技术。

基本技术形式

形形色色的生物质热解气化技术都是从热解和气化两个基本技术形式派生出来的，反应

过程中不供应足够的氧气，以获得含有化学能的可燃烧产物为目的。

1．生物质热解

生物质热解是在热作用下生物质中有机物质发生的分解反应。在高温下，构成生物质的

大分子碳氢化合物化学键断开，裂解成为较小分子的挥发物质，从固体中释放出来。热解开

始温度为200～250℃，随着温度升高，更多的挥发物质释放出来，而挥发物质质也被进一步

裂解，最后残留下由碳和灰分组成的固体物质。挥发物质中含有常温下不可凝结的简单气体，

如H

2

、CO、CO

2

、CH

4

等，也含有常温下凝结为液体的物质，如水、酸、碳氢化合物和含氧

化合物等。因此生物质热解同时得到固体、气体和液体三种形态的产物，三种产物的得率取

决于温度、加热速率等工艺参数。

热解发生的唯一条件是较高温度，这也是所有生物质热化学转换工艺的基本条件。在燃

烧（氧化）或者气化（部分氧化）工艺中，温度升高后生物燃料首先发生热解，然后才与氧

接触，发生反应，因此不能以是否隔绝空气作为热解的条件。即使是独立的热解工艺，有时

也需要加入少量空气。生物燃料的挥发分高达70～80%，大部分物质可以通过热解转变为挥

发物质，因此在燃烧和气化过程中，热解也起着重要的作用，这一点与煤炭的燃烧和气化是

不同的，因为煤炭的挥发分含量小得多。

生物质热解工艺是以热解为主要反应的工艺，目的是通过有机物质的裂解得到期望的目

标产物。为了尽量减少因氧化造成的物质损失，热解工艺通常需要隔绝空气。有时为减少提

升温度的能源消耗，也供应少量空气，但整个过程仍以热解为主。根据加热速率，热解工艺

可以分为慢速热解、常速热解和快速热解三种。

生物质慢速热解是一种以生成木炭为目的的工艺，也叫做炭化工艺。低温干馏的加热温

度为500～580℃，中温干馏温度为660～750℃，高温干馏的温度为900～1100℃

[2]

。将木材

放在干馏窑内，在隔绝空气的情况下加热，或者在初期通入少量空气，使少部分生物燃料燃

烧以得到热量，然后封闭。慢速热解的加热速率在1℃/s以下，整个反应时间可能长达数小

时至数天。慢速热解可以得到占原料质量30%～35%的木炭，同时得到木醋液、焦油和少量

热解气

[3]

。

生物质快速热解是反应速率非常高的热解工艺，其反应条件为：（1）隔绝空气；（2）非

常高的加热速率，通常在100～200℃/s以上，甚至超过1000℃/s（闪速热解）；（3）严格控

制的反应温度，一般在500℃左右；（4）急剧冷却，在0.5s内淬冷至350℃以下

[4]

。快速热

解使大分子有机物在隔绝空气的条件下迅速断裂为短链分子，产生大量可凝性挥发分、部分

小分子气体和以及少量焦炭。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体，称为生物油或热解

油，其比例可达原料质量的40%～70%。热解油为棕黑色黏性液体，热值为20~22 MJ/kg，

可直接作为燃料使用，也可以精制成为石油替代物。为获得很高的加热速率，需要将生物燃

料磨成细粉，并采用专门设计的反应器。

生物质常速热解的升温速率介于慢速热解和快速热解之间，一般在1～10℃/s之间，通

常并不刻意控制升温速率，而是控制反应温度和燃料在反应器中的停留时间。对于不同的工

艺目的，反应温度范围为450～900℃，反应时间为1～15min。常速热解需要隔绝空气，得

到固体、气体和液体三种形态的产物，随着反应温度升高，气体产物比例明显增加而固体和

液体产物减少。常速热解得到低位热值为12～18MJ/Nm

3

的燃气，比空气气化的燃气热值高

得多，可以作为制取高品质燃气的气化方法。常速热解与气化相结合，构成两步法气化工艺，

能够获得焦油含量极低的燃气。

2．生物质气化

生物质气化是以空气、富氧空气、氧气、空气和水蒸气、氧气和水蒸汽等作为气化剂，

在高温条件下通过热化学反应将生物燃料转化为燃气的过程。气化工艺能够将固体生物燃料

转化为使用方便的气体燃料或合成原料气，使燃料的化学能转移到燃气中，转换效率达到

70～90%，因此是一种高效率的转换方式。

生物质气化过程是热解、氧化、还原、变换等许多反应的组合，反应路线复杂。总的过

程可以概括为：生物燃料遇热后首先发生热解，随后发生热解产物和木炭的燃烧，最后燃烧

产物被碳还原，生成以CO、H

2

、CH

4

为主要可燃成分的生物质燃气。

气化反应体系中，氧化反应提供着其他反应所需要的热量，是推动过程进行的关键，使

整个气化过程成为一个自供热系统。但气化时提供的氧气量总是不足以使生物燃料完全燃

烧，气化供氧量与完全燃烧需氧量的比值一般0.2～0.3之间，这个比值称作当量比ER，是

气化过程的重要参数。许多人将气化过程叫做部分氧化过程，道理正在于此。

大多数生物质气化工程使用空气为气化剂。空气中含有79%的氮，它不参加反应，却稀

释了燃气中的可燃成分。空气气化产生的燃气中，氮气含量在50%左右，只能获取低位热值

为5～6 MJ/Nm

3

的低热值燃气，大致相当于发生炉煤气。热值低固然是一个缺点，但由于空

气可以任意取用，因此是最简单易行的气化方式，应用得最为普遍。

使用氧气为气化剂时，避免了氮的稀释，同样的当量比下，反应温度提高，反应速率加