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生物质热解技术的解机理

来源:生物质颗粒燃料厂家中腾燃料发布时间:2019-10-13 10:32人气:

生物质热解(也称裂解或热裂解)是指在隔绝空气或通入少量空气的条件下,利用热能 切断生物质大分子中的化学键,使之转变为低分子物质的过程。它可以作为一个独立的过 程,包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应,也可以是燃烧、炭化、液化、气化等过 程的一个中间过程,取决于各热化学转化反应的动力学,也取决于产物的组成、特征和 分布。生物质热解的主要产物为液态生物油、可燃气体和固体生物质炭,三种产物的比例取决 于热裂解工艺和反应条件。一般地说,低温慢速热裂解(小于500°C),产物以木炭为主; 中温热裂解(500〜650°C),产物以生物油为主;高温闪速热裂解(700〜1100°C),产物以 可燃气体为主。可热解的生物质很广泛,有农业、林业和加工时废弃的有机物,如秸秆、蔗渣、薪柴、 树枝、树皮、荆棘、锯末、坚果皮等,以及城市废水处理的污泥、工业和民用垃圾的有机物 部分等。生物质热解后,其能量的80%〜90%转化为较高品位的清洁燃料,因此开展生物 质热解技术的研究对缓解能源短缺和改善生态环境具有重大意义。生物质热解过程中,会发生一系列的化学变化和物理变化,前者包括一系列复杂的化学 反应(一级、二级等);后者包括能量传递和物质传递等。综合国内外热解机理研究结论, 可从四个角度对热解机理进行分析。


(1)从物质、能量传递的角度分析
生物质加热进行热解时,热量首先传递到生物质颗粒表面,并由表面传递到颗粒的内 部。热解过程由外向内逐层进行,生物质颗粒被加热的成分迅速分解成木炭和挥发分。其 中,挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成,可冷凝气体经过快速冷凝得到生物油。一次裂解反应生成了生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。在多孔生物质颗粒内部的 挥发分将进一步热解,称为二次热解反应。生物质热解过程最终形成生物油、不可冷凝气体和生物质炭,如图2.2所示。反应器内的 温度越高且气态产物的停留时间越长,二 次裂解反应则越为严重。为了得到高产率 的生物油,需快速移走一次热解产生的气 态产物,以抑制二次裂解反应的发生。

(2)从反应进程的角度分析
生物质的热解过程可分为以下三个 阶段。
①脱水阶段(室温〜100°C)本阶段 生物质受热仅发生物理变化,主要是失去 水分。
②裂解阶段(100〜380°C)本阶段生物质在缺氧条件下受热分解,并随温度的不断升 高,各种挥发物相继析出,生物质原料大部分质量损失。
③炭化阶段(>400°C)本阶段分解过程非常缓慢,产生的质量损失比裂解阶段小得 多,该阶段通常被认为是C-C键和C-H键的进一步裂解所造成的。
(3)从生物质组成成分的角度分析
生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组成物以及一些可溶于极性或弱极性 溶剂的提取物组成。生物质的三种主要组成物常被假设为独立地进行热分解,其中纤维素主要在325〜375°C分解,半纤维素主要在225〜350°C分解, 维素和半纤维素主要产生挥发性物质,而木质素主要分解 为炭。由于纤维素是多数生物质最主要的组成物,也是相 对最简单的生物质组成物,因此被广泛用作生物质热解基 础研究的原料。

(2) 从线形分子链分解的角度分析
随着微观化学和计算技术的发展,现在热解机理的研究可利用蒙特卡洛(Monte-carlo) 模型来描述反应过程,而实际反应按化学方程式进行。蒙特卡洛法(Monte-caHo Method) 即对无规则的数字应用数学算子进行一系列的统计实验以解决实际问题,该方法既考虑了时 间和样品空间,也考虑了物理空间(聚合物长度),用线形链结构代替三位空间结构,可用于解释生物质热解反应过程。
蒙特卡洛法将线形聚合物分解看成是由独立的马尔可夫(Markov)链分解组成的。马 尔可夫过程(Markov Process)是指在很高的加热速率下生物质闪速裂解时,线形聚合物链 结构分解是随机发生的。在假设的模型中,用N代表聚合物中每个单体结构的结合总个数, 用每条链的长度代表所形成的气体、固体和液体状态,产物存在的状态用两个参数来描述, 即保持固相状态最小的链的长度(N;)和保持气相状态的最大的链的长度(N:),介于 N:N;之间的部分则为液体焦油状态。

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