生物质连续热裂解设备开发现状及发展前景

许惠，夏志鹏，冯勇，张四弟

(南京工程学院机械工程学院，南京211167)

　　摘要：生物质连续热裂解技术作为一种高效的生物质能源资源转化技术，受到各国的青睐。本文主要论述了国内外关于生物质能源利用和生物质连续热裂解设备的发展情况。介绍了国内外几种典型生物质连续热裂解设备的结构特点；与传统窑式热裂解设备相比，国内新型回转窑式连续热裂解设备热解周期短、原料适应性和可操作性强，但是问题依然存在；国外更注重生物质能源的深层次开发和利用，其热裂解设备趋于将生物质能转化为多元化产品方向发展。未来，生物质热裂解设备将朝着自动化程度高、热解连续性强以及实现生物质综合高效联合循环利用等方向发展。

　　引言

　　我国作为农业大国，每年产生的秸秆资源有7亿左右^[1]，约3.5亿吨可开发为生物质燃料，折合标准煤1.8亿吨；林业废弃物资源量约折合3亿吨标准煤，是我国石油及煤炭消耗量的10%左右^[2]。预计到2020年，农林废弃物约折合11.65亿吨标煤，可开发量约合8.3亿吨标准煤^[3]。因此，我国的生物质资源有巨大的开发潜力。开发利用生物质资源，势在必行。

　　目前，高效利用生物物质资源的技术是生物质热解技术，即在缺氧条件下，由生物质在高温下分解生成固气液等能源产物。固体产物主要是生物质炭，可作为土壤改良剂，降低肥料及土壤养分的损失，进而提高作物吸收养分的效率，减轻土壤污染^[4]。同时，生物炭也是碳封存剂，其热解及利用是碳减排的过程，因此废弃生物质生产生物炭及其农用的效益是多贏的^[5]。根据热裂解工艺的不同，液体主要产物也不同。气体产物则主要是甲烷、一氧化碳等可燃性气体。

　　生物质热裂解炭化、液化及气化均可得到生物炭，但是所得到的生物质炭的产量大不相同^[6]。因此，根据不同的生物质特性，选择最优生物质热裂解工艺，利用合适的生物质热裂解设备，充分利用生物质资源。

　　本文在介绍国内外生物质资源利用现状的基础上，重点分析国内几种具有代表性的生物质连续热裂解设备，结合相关生物质热裂解工艺及其设备存在的问题，提出生物质热裂解设备发展的未来方向，为推动我国生物质连续热解设备研宄发展提供借鉴。

　　1国内设备开发动态与方向

　　1.1国内生物质资源利用现状

　　我国生物质资源丰富，每年生物质废弃物大概50亿吨，是我国石化能源消耗量的4倍左右[7]，而目前将其作为能源利用的约占其总产量的0.76%，资源开发利用潜力巨大。虽然农作物秸秆等生物质资源丰富，但在年产亿吨秸秆中，每年约1.07亿吨生物质秸秆被浪费^[8-9]。传统的焚烧处理方式不仅会污染环境，还会浪费能源，且产生的PM2.5己成为大气污染的重要来源，更成为近年来全国性环境污染问题。因此，研宄开发生物质资源利用技术成为当前的一大热点课题^[10]。

　　我国从20世纪70年代开始加大对生物质能源的开发支持力度，热裂解工艺及设备研宄开发得到迅速发展^[11-14]。目前，国内生物质热裂解技术研宄主要集中在生物质热解炭化设备上。生物质热解炭化装置分为两类：间歇式、连续式。常规的间歇式的炭化流程是运输—破碎—干燥—成型—炭化—炭棒—粉碎等环节，每个环节都会耗费大量人力物力，成本过高。由于整炉一次性排除生物质炭，造成炭化炉反复加热与冷却，浪费能源且生产效率低，制约着生物质能源产业的发展。而连续型的生物质热解设备可以有效减少人力成本，提高热解炭化的效率，符合当代工业的发展需求。

　　1.2国内传统生物质热解设备

　　20世纪80年代，国内主要利用土窑来烧炭，这是最传统的炭化工艺。采用原木为原料，将捆扎打包好的原木直接放入窑内，从窑门处直接点燃闷烧或者由土窑内的煤炭燃烧提供炭化所需的热量；窑内处于半封闭状态，顶部设有烟囱，控制空气的进入量，使其原木在缺氧的状态下燃烧；土窑生产木炭对窑内的温度及炭化时间要求很严格，温度过高出现过烧现象，保温时间不够又会出现炭化不完全的问题。

　　1.3国内新型生物质连续热裂解设备

　　20世纪70年代，我国开始重视生物质能源技术的发展。国内某大学从荷兰引进一整套生物质热裂解炭化装置，之后各大院校及科研院所合作开发研宄生物质连续热裂解设备。通过近几十年的发展，我国在生物质炭化、气化工艺方面取得了较高成就^[15]。国内许多大型的生物质能源开发企业通过引进国外先进技术，结合自主创新，相继研发出多种大型生物质热裂解设备。中国节能旗下中环公司在江苏宿迁投建的我国首个拥有完全自主知识产权的生物质直燃发电示范项目，装机容量24MW，每年可节约标煤10万吨。

　　有研究表明，生物生物质气化与生物质热解炭化相比，能源利用效率略低，但生物质热解气化技术所产生的经济效益髙于生物质热解炭化技术。因此，生物质热解炭化与生物质热解气化技术各具优势，需要根据生物质原料特性、生物质热解产品应用特性来选择合适的生物质热解工艺方案^[16]，以达到重返有效利用生物质资源的目的。

　　沈阳农业大学设计的竖流移动床生物质连续热解炭化炉，主要部件包括直立炭化炉体，炉体内部安装螺旋搅拌装置、烟气冷凝净化装置，如 图 1 所示。该热解炭化装置将粉碎处理后的秸秆由传送装置从喂料口进入，在引火口被点燃后，秸秆自下而上进行燃烧^[17]。

　　此炭化装置的主要特点是炭化炉体顶部安装有搅拌器。炭化过程中，搅拌器旋转炭化炉体内上下部分的秸秆物料交替螺旋运动，秸秆碎料在炭化炉内充分进行热量传递，最终通过绞龙从炉体底部出炭。搅拌器的存在，可避免一般直立炭化炉秸秆炭化装置容易堵料以及炭化不均匀现象，提高燃烧效率，并实现连续秸秆炭化。整个炭化装置所产生的高温烟气，首先经过炭化炉炉盖进行冷凝得到冷凝后的水蒸气，紧接着进入气体冷凝净化装置回收木焦油、木醋酸以及可燃性气体。

　　传统立式炭化设备生物质原料在立式管内底部移动完全依靠其自重，容易产生搭桥和结拱现象^[17]，而此设备通过设置的搅拌器避免了此现象的产生，但炉体内搅拌器会影响热解过程中挥发性产物的排除，从而影响设备运行的效率。

　　浙江某大学开发设计了一种外加热回转窖式生物质连续热裂解炉，如图2所示。回转窑筒体长0.45m，内径0.205m，主要特点是炭化筒体转速可在0.5〜10r/min范围内调节。由于采用电加热方式，其炉体温度容易控制。在整个加热过程中，窑壁和窑膛温度可以稳定升高直至热解终温，这种回转式窑体炭化炉的固体炭产率可达40%以上，己达到较髙水平。

　　与立式热解炭化装置相比，回转窑式热解炭化装置在炉体加热方式、温度控制方式以及髙温烟气的回收装置等方面做了较大改进^[18]。浙江大学开发设计的回转窑炭化系统处于中试阶段，由于没有设置引风机，热解生成的焦油气回渗与生物质原料混合，使生物质原料容易粘附在回转炉体筒壁上，导致热解条件下的生物质原料残留量升高并且不易清除，影响生物质热解产物产率。

　　华南农业大学王明峰等人自行设计开发无轴螺旋式连续热解装置，如图3所示，优化了喂料部件的结构，为热解产物的出料节省了有效空间，是一种高效的连续热解裂解炭化装置^[19]。文献[19]在此连续热解装置上，以花生壳、稻壳和木薯茎秆为原料进行热解试验，以分析无轴螺旋式连续装置热解特性。实验发现，在无轴螺旋连续热解装置上，热解固气液产物分布特性与其他热解设备无区别。然而，该设备存在最大的问题是热解反应器内物料输送存在死角，在喂料口处形成残留区域，不同生物质原料的残留量不同。

　　目前，国内多数生物质炭化企业规模小，主要依靠间歇式炭化设备和传统炭化工艺，自动化程度低、劳动强度大；炭化周期长，且不同批次生物质炭品质不齐；木煤气、木醋液和木醋酸等副产品无法回收利用。虽然连续炭化装置己经发展多年，但是问题依然存在，主要体现在：（1)设计的标准不一，导致炭化产品质量不一，同时不利于装置批量化；（2)液相、气相产物处理困难；（3)进料及出料不流畅；（4)能源利用率不高等。

　　2国外设备开发动态与方向

　　2.1国外生物质资源利用现状

　　国外开发利用生物质能源起步较早，在1900年初就实现了将生物质到液体燃料的转化技术，目前很多生物能源技术和装置已经达到商业化应用程度。欧洲等发达国家非常重视生物质炭气联产以及生物质发电技术研发，生物质主要利用形式有发电和生物柴油等^[20]。丹麦是最早利用生物质秸秆进行发电的国家，BWE公司是享誉世界的发电设备研发和生产企业，在欧洲甚至全球范围内建立了许多生物质秸秆直燃发电厂，其中全球最大的生物质电厂隶属于英国的Elyan发电厂，装机容量达到38MW。德国的CHOREN公司生物质加压合成生物质柴油技术，己完成年产200吨的小型试验，正在建设年产15000吨的中型示范装置。

　　此外，欧美部分国家以及日本等尽管生物质热裂解工艺技术研究起步较早，对于生物热解炭化及气化工艺的研究报道较多，但对于热裂解设备的研宄开发报道甚少，在本国生物质资源进行热裂解设备研宄方面开展的也不多^[21]。

　　2.2国外生物质连续热裂解设备

　　巴西是世界主要木炭生产国家，每年大约900万吨，其中75%的木炭用于钢铁行业。虽然巴西每年木炭产量巨大，但大部分还是以传统窑炉形式生产。为了维持钢铁行业的发展，必须研宄新的炭化工艺，以适应行业的需求^[22]。巴西对于生物质热解工艺研宄比较深入，其中巴西利亚大学研究设计一种热解炭化系统^[23]，如图4所示。该系统利用背压增压器来实现反应器增压，以桉木为实验原料，通过实验数据验证加压能够提高木炭产率以及相应缩短炭化时间，使生物质热裂解更充分。但要，在加压的工况下实现连生物质续热解炭化以及实现炭气联产，还有待进一步研宄开发。

　　欧美等发达国家队宇生物质热解工艺的研究较早，更注重于生物质能源的深层次开发和多元化利用。美国在联合循环发电技术方面世界领先，尽管生物质气化技术研究经历了几十年，但是有些技术难题依然无法突破，也是亟待解决的问题。其中，联合循环生物质发电技术中，生物质热解气化将伴随一定量的木焦油产生，而木焦油经过冷凝设备后粘性增加，流动性差，容易堵塞管道设备，从而影响生物质热裂解设备的稳定性。

　　3结语

　　随着世界节约能源、保护环境意识的增强以及提髙生物质能源利用效率、降低能源开发成本的要求，对生物质连续热裂解装置进行研宄开发势在必行。虽然国外在生物质热解工业化方面技术成熟，但对于热解理论研究尚不完善。究其原因，在于生物质的组成、结构和性质复杂，且生物质热裂解又是异常复杂的反应过程，一般反应式或者燃烧模型难以描述。因此，这在某种程度上限制了生物质热裂解技术水平的进一步发展。

　　针对国内现有窑式连续热裂解设备进出料机构的连续性、烟道气流走势、炉体传热方式及冷凝设备结构等进行改进，使其具有原料适用性强、温度易控制、热解连续性以及可回转式等特性，更适合于炭气联产。未来，生物质热裂解设备将向着具备能源转化率、自动化程度髙、易于实现生物质秸秆综合髙效联合循环利用等方向发展。