工艺参数对热裂解生物废弃物生产生物质炭的影响：一个综述外文翻译资料

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工艺参数对热裂解生物废弃物生产生物质炭的影响：一个综述

Manoj Tripathi a, J.N. Sahu b,n, P. Ganesan a

a Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Malaya, 50603 Kuala Lumpur, Malaysia

b Petroleum and Chemical Engineering Programme Area, Faculty of Engineering, Institut Teknologi Brunei, Tungku Gadong, P.O. Box 2909, Brunei Darussalam

摘 要：生物质被认为具有当作替代能源的潜力。含碳量高的生物质经热化学处理后会转变为高能生物质炭。在几个公认的处理生物和生物废物的热化学技术中，得到高能炭的同时还伴随着油和气的产出，热裂解是最近这些年研究和讨论最多的技术。现有技术之间的比较是在目前的工作中建立的。回顾用生物及生物废弃物制炭的方法，我们发现生物质炭的产量取决于生物量的组成，比如水分含量、纤维素和木质素的存在等等。热解产物的分布及质量在很大程度上取决于工艺参数。本文也将可以被当作热裂解原料的不同生物质根据其来源进行了分类和综述。热裂解工艺参数如温度、加热速率、停留时间等也影响生物质炭产量。本文通过研究生物质热裂解探讨这些生产工艺对生产生物质炭的影响。

关键词：生物质，热化学转化，热裂解，工艺参数，生物质炭

目 录

1. 引言
2. 生物量

2.1.生物量来源

2.2.从生物质中获得的生物燃料的种类

2.2.1.第一代生物燃料

2.2.2.第二代生物燃料

2.2.3.第三代生物燃料

2.2.4.第四代生物燃料

2.3.生物质化学成分

3. 生物质炭生产工艺

3.1.燃烧

3.2.气化

3.3.热裂解

3.3.1.热裂解原理

3.3.2.热裂解种类

3.3.3.热裂解产物

3.3.4.热裂解优点

3.4.生物质炭生产工艺的比较

4.生物质组成的影响

5.工艺参数的影响

5.1.停留时间的影响

5.2.粒径的影响

5.3.加热速率的影响

5.4.温度的影响

5.5.热裂解床层高度的影响

5.6.压力的影响

5.7.载气流通速率的影响

5.8.催化剂的影响

6. 对影响生物质炭产量的工艺参数的综合论述

7. 总结

致谢

参考文献

1. 引 言

根据联合国发布的数据，2013年世界总人口为72亿，预测到2025年增长10亿并将在2050年达96亿。随着世界总人口的不断增长，能源需求也不断增加。因为工业、农业和交通运输业的发展，发电，各种部门都需要能源，所以能源对任何一个国家的发展都至关重要[1,2]。能源的最主要来源是埋藏在地下深处的化石燃料。这些来源是有限的，在长期看来无法满足世界不断增长的能源需求[3]。因此，研究者去寻找替代能源的兴趣日益浓厚。生物质被认为是一种非常具有潜力的能源来源[4]。生物质转变为能源可以通过两种主要方法。一种是热化学转化，另一种是生物化学转化[5]。在生物化学转化中，利用生物催化剂和生物质作用从生物质中获取能量丰富的产品，而在热化学转化工艺中，热能和化学催化剂被用来产生能量。生物质经生物化学转化得到乙醇，而经热化学转化则得到三种产品：生物油、生物质炭和气体[6,7]。生物化学转化工艺的一个主要挑战就是如何快速并完全的将生物质转化为高效能源。生物化学转化工艺的这一限制使研究者把目光转向热化学工艺[8]。

从生物质中生产能量的热裂解工艺，在过去十年间已经发展成为最有前途的方法。热裂解是保持反应气氛惰性，使生物质的化学成分进行热裂解，从而获得能量的过程。对生物量热裂解处理可以得到三种产物：生物质炭、生物油和气体。生物质炭是生物质或其他有机体经热加固后的获得的固体富碳副产物[9]。热裂解过程中产生的生物油是发电的良好原料，因为它经升级后含能高，可以和化石燃料相比拟[10]。热裂解产生的生物质炭同样含能高，在某些情况下可用于工业原料煤作为燃料[11,12]。生物质炭的多孔结构和高含碳量使得它有广泛的工业应用。在农业上它被用来改善土壤质量。添加的生物质炭可以提高土壤固碳率。它降低了土壤养分的分解速率，因此提高了土壤质量[13-16]。在净化工业中生物质炭被用来去除重金属，比如铬[17,18]、镉[19]、镍[20]、汞[21]和铅[22]。除了去除重金属，它还是去除如四环素[23]，苯酚[24]等化学物质的廉价手段。纺织业会排放各种染料和颜料，这些染料和颜料是水体污染物且对人体有害[25]。生物质炭可以经济有效的用于纺织染料的去除[26,27]。在发电产业中生物质炭可以当作燃料，因为生物质炭含碳量高。

利用生物质生产生物质炭的产量不仅依赖于使用的工艺，还依赖于生产过程中的工艺参数[10]。近些年对生物质热裂解的研究认为生物质炭的产量取决于多种因素，包括生物质自身性质（生物质种类，水分含量，粒径），反应条件（反应温度，反应时间，加热速率），周围环境（载气种类，载气流通速率）和其他因素（催化剂，反应器类型）[28,29]。除了生物质炭的产量，生物质炭的性质也随着反应条件的变化而变化，如温度、停留时间、加热速率，粒径等[30-37]。显然要想高效的获得最大产量的生物质炭，生物质热裂解的工艺参数需要最优化。很多文献都讨论了工艺参数对生物油产量的影响，但是讨论工艺参数对热裂解生物质制取生物质炭的产量的影响却很少。本文详尽地介绍了各种工艺参数对通过热裂解生物质制取生物质炭的产量的影响，如生物质组成、粒径、停留时间、加热速率、温度、生物质水分含量，热裂解床层高度、反应压力、载气流通速率和催化剂。

1. 生物质

生物质是一种复杂的生物有机体或非有机固体产品，来源于活的或近期刚死亡的有机体，自然界中随处可见。多种废物如动物粪便、废纸、污泥和许多工业废物也被认为是生物质，因为与天然生物质一样，这些废料也是有机和非有机化合物的混合物，可以加工得到能量。生物质是最有前途的可替代能源来源之一，因为其潜在的可用性，它在某些程度上可以解决世界能源危机。还有，生物质的使用也可以减轻全球变暖和污染问题[38]。生物质是唯一的可再生能源，可以转化为三种形式：固体燃料，液体燃料和气体燃料。随着新技术的使用，可再生能源的生产正在迅速增加。世界范围内的可再生能源产量所占总能源产量的比例从2006年的18%增长到2013年的21%，有望在2018年达到29%[39]。像德国、澳大利亚、英国、和土耳其等许多国家都在使用生物质发电[40]。在发展中国家利用农业废弃物产热是很普遍的。除此之外，古巴、印度、巴西和哥伦比亚等许多其他国家正在利用甘蔗废料发电[41]。瑞典供应的能源中超过50%来自生物量[42]。

2.1.生物质来源

根据帝国大学能源政策与技术中心的报告，全世界土地面积约为13Gha（1Gha=10⁹ha）。大约有1.5Gha的区域用于耕种庄稼，4Gha的区域是森林。约3.5Gha 的土地覆盖草地，剩下的用于别处[43]。生物质可以从不同角度进行分类，比如可以分成有机、无机和流体[44]或者一、二、三级生物质[45]。Vassilev et al.[46]将生物质分为天然的和人工的。天然生物质的来源是天然的，而人为生物质是通过加工天然生物质而形成的。在文献中，作者根据其获取来源将它们分为五组，即木本生物质、农业生物质、水生生物质，人类和动物排泄物生物质和工业废物生物质。最主要的生物质是木本生物质，包括如松树、云杉、橡树、槭树、红杉林和落叶松等不同树种的茎、叶、树皮、分支、块茎和碎片。木本生物质主要来自于森林。农业生物质是第二大来源，其包括了广泛的不同种类的农作物。这些农作物的茎、秆和壳都可作为生物质。除了这些植物的不同部分，花、草也可以作为生物质。在世界各地农业生物质和木本生物质广泛应用于发电。水中发现的各种微藻、植物和微生物构成的另一类称为水生生物质。蓝藻、绿藻、真菌和各种水生杂草都是水生生物质。动物和人类排泄物是生物质的另一个类别。动物的粪便、煮熟的或未煮过的食物、水果、纸、塑料、纸浆等属于这类范畴。当这些废料被处理并转化为有用的能源产品时，不仅产生了能量，而且这些材料的处理问题也在一定程度上减轻了。工业废物生物质包括造纸工业造纸废渣、糖厂甘蔗渣、食品加工业废弃物和其他。动物和人类排泄物生物质和工业废物生物质被分成不同类别主要是因为工业废物含有各种有毒化学物质和有害物质，而动物和人类排泄物则没有这些物质。此外，生物质还可根据所含纤维素和木质素含量进行分类。根据来源对生物质进行分类可以对其所含元素有个初步的评估，而以纤维素和木质素含量或其他方式的分类则无法做到。例如，我们可以知道工业废物生物质和动物排泄物生物质比木本和农业生物质含有更多的硫。元素预测可以帮助我们比较生物质的能量含量，这对于我们选择何种生物质进行热裂解是十分重要的。根据纤维素和木质素的产量进行分类可能会改变产品分布。因此在热裂解后某种产品是可取的，那么这种分类方法是有用的。

2.2.生物质中所含有的生物燃料类型

2.2.1第一代生物燃料

第一代生物燃料是由粮食、油料作物和这些作物的废弃物所制得的，如玉米、甘蔗和油菜。这些燃料基本上都是利用农作物中所含有的淀粉所生产出来的，比如沼气和生物甲醇。一般来说，这些燃料是由酵母发酵生产的。尽管从第一代生物燃料以来生产工艺在经济上和技术上都由长足的发展，但仍有许多不可忽视的挑战。例如，粮食作物用于制生物燃料会对世界粮食市场的粮食价格产生负面影响。除此之外，不断增长的能源需求会需要更多的土地用于耕种。为了增加耕种土地面积，森林就会减少，引起环境问题。还有，有些地区的地理条件可能无法契合能源需求[47]。

2.2.2.第二代生物燃料

生产第二代生物燃料是利用的有意种植的非粮食作物如芒草、柳枝稷、紫花苜蓿等，或者是收割作物后遗留的废弃物，亦或者是森林残积木。生产第二代生物燃料利用的是生物质中所含的木质纤维素。尽管在少数国家（如巴西）第二代生物燃料的生产已经达到商业水平，相关研究仍在努力进行，目的就是达到大规模的燃料生产。少数第二代植物可以在贫瘠且不适合粮食作物生长的土地上生长，在一定程度上可以解决耕地匮乏的问题。第二代生物燃料的问题在于：如大米、小麦秸秆、椰子壳或秸秆等农作物废弃物无法高效转化为燃料。此外，在贫瘠土地上种植这些作物是否可以生产足够的燃料，以此来满足日益增长的能源需求，这还是不确定的[48]。

2.2.3.第三代生物燃料

第三代生物燃料是基于对生物质生产的改进。它利用藻类等特殊能源作物作为能源。第三代生物燃料是利用微藻类生产出来的，如富油新绿藻、菱形藻、菱板藻属、丛粒藻。在科技上和经济上，第三代生物燃料都被认为有潜力去替代传统燃料。微藻之所以被认为是未来燃料，是因为它有非常高的生长率，无需大片土地，无需肥料。除此之外，培养微藻很便宜，它可以在不适宜种植的土地上生长，且有很强的固定二氧化碳的能力。它甚至没有粮食和燃料作物之间的竞争问题。因此这避免了许多与第一、二代生物燃料有关的问题。微藻是一种能大量生产蛋白质、脂类和碳水化合物的光合微生物。据报道，最近一种叫小克银汉霉的单细胞霉菌产生16 g/L生物量，含有7 g/L的脂肪含量[49]。尽管这看起来是十分有吸引力且有前途的替代能源，成本高仍是第三代生物燃料快速发展的障碍。

2.2.4.第四代生物燃料

第四代生物燃料比第三代生物燃料要更先进。生物燃料是从各种作物中获取的，包括耐旱能源作物、草类植物、高碳储量作物和树木以及低木质素率植物。这些生物燃料用于产生能量，有望提升处理效率。第四代生物燃料的加工方法包括碳捕获和储存（CCS）。将生物质转化为第四代生物燃料所用的工艺与生产一、二、三代生物燃料相同，但在处理过中采取隔氧燃烧或其他技术手段来实行二氧化碳封存。因此，生物质中的绝大部分二氧化碳被捕获。通过这种方法第四代生物燃料有助于减少温室气体的排放，这使得它优于第二代和第三代生物燃料。

表一

不同生物质来源的碳、氧、氢、氮、硫含量。

注：“—”代表数据无法获得

2.3.生物质的化学组成

生物质从化学角度上来说是碳、氧、硫、氮、灰分和少量其他元素的复杂结合，这些少量元素又包括碱金属、碱土金属和重金属。根据生物质的不同种类，镁、氯、钾等其他元素也可能存在。生物质中所含这些元素的比率与地区生物量、生长状况及地理状况有关。已研究过的生物质中的碳、氧、氢、硫、氮等元素的含量见表1。在所有的这些元素中，碳是大多数生物质的含量最大元素，其次是氧和氢；然而，这

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