1.3　生物质快速热解研究概述

基于热裂解技术的生物炼制过程包括原料预处理、分布式热裂解、运输以及产品输出等（图1-5，Kersten等，2013）。生物质原料在收割后首先进行粉碎、干燥等预处理，之后在就近的分布式热裂解车间进行处理，制得生物油、热解炭和热解气，其中热解炭和热解气被直接用作热源燃烧提供反应过程能量，生物油经过包装运输后被运到中心炼制工厂进行深加工处理，用于生产燃料、化学品、供热或者电力等。生物质热裂解炼制技术具有原料适应性强、产物可百分之百利用以及应用范围广等特点，已经成为国内外研究的热点。

图1-5　生物质热裂解炼制流程

生物质热裂解炼制生物油是指在完全没有氧气或有限供氧的条件下，采用中等反应温度（450～600℃）、高升温速率（1×103～1×105℃/s）和极短气体停留时间（小于2s），将生物质中大分子热裂解变为小分子热裂解产物的过程，热裂解产物包括液体、固体和不凝结气体三种，其中液体产物为生物油（又称生物质油、热解油等），固体产物为热解炭（吴创之，2003；任学勇，2008；Bridgwater等，2000）。生物油是一种主要含有水分和复杂含氧有机物的混合物，不仅可以作为燃料使用，而且还可以精制提炼成化工原料作为化石能源的替代物；热解炭可作为冶金工业的表面助熔化剂、渗碳剂和活性炭的良好原料；不凝结气体可作为清洁燃气。

生物质热裂解炼制可以高效率地将低能量密度的固态生物质直接转化为高品位的能源产品及材料，具有反应过程迅速、原料适应性强、产物可百分之百利用以及应用范围广等优点，是工业化应用前景良好、发展潜力很大的高新技术，已经成为目前国内外生物质能源领域的研究热点和重点（Bridgwater等，2000；Lu等，2009；Wright等，2008）。

自20世纪70年代后期开始至今，国内外众多的研究机构对生物质热裂解炼制技术进行了大量的研究工作。北美洲对生物质快速热解技术的研究较早，80年代初期，加拿大Waterloo大学开发出流化床反应器快速热解技术，之后，美国国家可再生能源研究室开发出涡流烧蚀快速热解反应器，对该技术的研究起到了推动作用（刘荣厚，2005）。随后，加拿大、荷兰、英国、美国、瑞士和意大利等国家的研究单位进行了持续性的研究工作，目前已研究开发出十几种热解设备及相应的转化技术，并开展了将生物油作为锅炉燃料或化学品等方面的研究。

相比较而言，我国在快速热解技术研究方面起步较晚。1995年沈阳农业大学从荷兰屯特大学BTG集团引进一套生物质原料处理量为50kg/h的旋转锥式快速热解设备，标志着我国快速热解技术研究工作的开始（刘荣厚，2004）；山东理工大学1999年用等离子体做热源进行了生物质快速热解技术的研究，生物油产率达到50%（易维明，2000；姚福生，2001），2001年又设计建造了原料处理量为200kg/h的以陶瓷球为热载体的下降管式快速热解工业示范设备（何芳等，2003）；北京林业大学从2004年开始从事生物质热裂解液化技术的研究，将不可冷凝气体作为循环流化载气，成功研发了处理量分别为1kg/h、5kg/h、25kg/h以及30kg/h的四代流化床式生物质热裂解液化设备（任学勇，2009；张立塔，2011；任学勇，2012），又分别在江苏邳州和河北平泉建成了年处理量为1500t的自热式生物质热裂解液化示范生产线（李龙，2013）；在产物利用方面，主要将生物油用于制备化工产品，包括酚醛树脂、脲醛树脂、淀粉树脂等胶黏剂以及固沙剂、发泡材料等化工产品，热解炭被用于制备活性炭和土壤改良剂。

近年来，国内外在热裂解炼制技术的研究上取得了很大的进展，但是基本上大多仍处于实验室小试、中试阶段和工业化示范阶段，并未实现热裂解炼制生物油的大规模工业化生产应用。特别是由于快速热解技术的复杂性以及受到生物油下游产品利用和经济效益等问题困扰，尚有很多关键科学问题有待解决，不少关键技术需要得到突破。在生物质热裂解炼制设备方面，主要是反应器结构、过程控制、生物油品质、存储和原料适应性等问题上仍然存在很大的改进空间；对于反应机理的研究方面，大多研究主要是基于模型化合物的理想条件分析，所得到的理论模型很难真正用于指导生物质的高效裂解转化；在反应工艺方面，虽然已经基本探明高产率生物油的生产工艺，但是还需要进一步深入研究生物油的定向可控化制备，实现生物油中高值组分的富集；在产物分析和利用方面，由于生物油中成分复杂、高含氧量、呈酸性、不稳定，与常规石油基产品不互溶，因此需要在对生物油组分进行全面分析和鉴定的基础上，系统研究生物油的精制和深加工利用问题，急需开发出生物油的高值化利用技术，提高生物油制备及应用技术的经济性。