王曉英，王宇光，劉 穎，谷新春

(1.吉林工商學(xué)院 食品工程分院，吉林 長春130062;2.中國化學(xué)賽鼎寧波工程有限公司，浙江 寧波315040)

0 引言

生物質(zhì)是一切有生命的，可以生長的有機(jī)物質(zhì)的通稱，是一種分布于世界各地的、普遍的、年年再生的無限產(chǎn)品［1］。秸稈是生物質(zhì)的一種，是潔凈的可再生能源，它的開發(fā)利用越來越受到人們的關(guān)注。我國作為農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源十分豐富，每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達(dá)7億多噸，其中大部分被廢棄燃燒，不僅污染環(huán)境，而且由于熱效率低，造成能源的浪費(fèi)。目前，生物質(zhì)秸稈資源利用已成為國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的焦點，生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)已被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)能技術(shù)之一，這一技術(shù)存在的問題是快速裂解的條件較難控制，熱能利用率較低，因此，高效、綜合地提高熱裂解過程中的熱能利用率，是生物質(zhì)熱裂解中急待解決的難題之一［2］。

1 生物質(zhì)熱裂解過程

生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)是在無氧或者缺氧的條件下，以103～104℃/s的加熱速率將生物質(zhì)加熱至450～600℃，使生物質(zhì)發(fā)生分子鍵斷裂、異化和小分子聚合等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成小分子氣體(生物氣)、可凝性揮發(fā)組分(生物油)及固體產(chǎn)物(焦炭)。因為固相在熱裂解爐停留時間較長，二次、三次甚至多次裂解不可避免，產(chǎn)生小分子氣體的量就越多，液體的量就越少。所以，生物質(zhì)熱裂解液化工藝條件十分苛刻，要求嚴(yán)格控制加熱速率、反應(yīng)溫度以及固相停留時間和氣相滯留時間［3］。

在生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化工藝中，生物質(zhì)熱裂解技術(shù)是最具發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)之一。該技術(shù)能以連續(xù)的工藝和工廠化的生產(chǎn)方式將以農(nóng)作物秸稈為主的低品位能源轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的易儲存、易運(yùn)輸、能量密度高且使用方便的代用液體燃料——生物油。生物油不僅可直接用于現(xiàn)有鍋爐和燃?xì)馔钙降仍O(shè)備的燃燒，而且可以通過進(jìn)一步改進(jìn)加工，使液體燃料的品質(zhì)接近于柴油或汽油等常規(guī)動力燃料的品質(zhì)。相比于常規(guī)的化石燃料，生物油因其所含的硫、氮等有害成分極其微小，可視為21世紀(jì)的綠色燃料。同時，熱裂解產(chǎn)生的副產(chǎn)品還有同樣具有商業(yè)價值的中熱值的燃燒氣和炭。生物質(zhì)熱裂解加工及其產(chǎn)品見圖1［4］。

圖1 生物質(zhì)熱裂解加工及其產(chǎn)品Fig.1 Biomass pyrolysis processing and its products

2 生物質(zhì)熱裂解的節(jié)能與優(yōu)化研究

近年來，由于能源逐漸匱乏，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，節(jié)能減排越來越受到人們的重視。因此，工業(yè)的節(jié)能降耗具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前，人們紛紛從各種途徑尋找降低生產(chǎn)過程能耗的辦法，并取得了很好的效果。夾點技術(shù)就是目前應(yīng)用最廣泛的熱集成技術(shù)之一，它是將熱力學(xué)原理和系統(tǒng)工程相結(jié)合，對工程系統(tǒng)的能量進(jìn)行優(yōu)化配置，提高系統(tǒng)的能量利用率，從而降低能耗［5］。

夾點技術(shù)是英國學(xué)者Linhoff于20世紀(jì)70年代在總結(jié)前人研究基礎(chǔ)之上提出的，并逐漸發(fā)展成為一整套換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計法。該技術(shù)是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀角度分析過程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布，從中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的“瓶頸”所在，并給以解“瓶頸”的一種方法。夾點技術(shù)以整個系統(tǒng)為出發(fā)點，同以前只著眼于局部，只考慮某幾股熱流的回收、某個設(shè)備或車間的改造的節(jié)能技術(shù)相比，節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益要顯著得多。應(yīng)用夾點技術(shù)可以方便地找出換熱網(wǎng)絡(luò)中不合理的用能設(shè)備，對優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)提供指導(dǎo)，使能量達(dá)到最大回收［6］。夾點分析時，將物流數(shù)據(jù)輸入到夾點分析軟件Aspen Energy Analyzer中進(jìn)行處理，得到組合曲線夾點圖。從圖中得到冷公用工程用量、熱公用工程用量、夾點溫度、最小傳熱溫差等參數(shù)，從圖中找出換熱網(wǎng)絡(luò)的用能問題。

胡愛娟等利用夾點技術(shù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，研究糠醛渣(玉米芯和植物纖維)熱裂解反應(yīng)特性，預(yù)測生物質(zhì)熱裂解的產(chǎn)品分布和產(chǎn)量，為生物質(zhì)熱裂解過程的能量優(yōu)化分析提供了基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)［7］。

生物質(zhì)熱裂解是一個吸熱過程，需要源源不斷地向反應(yīng)器內(nèi)提供熱量。不同的研究表明，生物質(zhì)熱裂解所需的熱量是比較少的，如NREL的研究得出，生物質(zhì)快速熱裂解所需的能量僅為230 kJ/kg;何芳等利用同步熱分析儀確定小麥秸稈從303 K到773 K過程的升溫和熱裂解所需的總熱量為558 kJ/kg［8］;Dynamotive公司在流化床小試裝置上的能量衡算表明，生產(chǎn)1 kg生物油所需提供的全部熱量為2.5 MJ［9］。生物質(zhì)快速熱裂解一般得到50%～70%(wt)的生物油，其余產(chǎn)物為焦炭和燃燒氣，每kg生物質(zhì)熱裂解得到的焦炭和燃燒氣的總能量大于其熱裂解所需要的熱量，這表明完全可以利用熱裂解副產(chǎn)物來為生物質(zhì)熱裂解提供能量，從而實現(xiàn)生物質(zhì)的自熱式熱裂解［10］，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖2為自熱式生物質(zhì)熱裂解工藝流程。裂解爐出來的煙氣在空氣預(yù)熱器中與冷空氣換熱，冷空氣被加熱后送入裂解爐，空氣預(yù)熱器中排出的煙氣，經(jīng)煙氣冷卻器冷卻至150℃以下后，送入地槽對物料進(jìn)行干燥，同時將物料間隙中的空氣置換出來，降低氧的含量，避免氫原子與氧原子結(jié)合生成水。從裂解爐出來的裂解產(chǎn)物在旋風(fēng)分離器中進(jìn)行氣固分離，炭粉送至炭粉冷卻器，冷卻后的炭粉進(jìn)入炭粉除塵器分離，夾帶炭粉的燃?xì)馑突亓呀鉅t以調(diào)整裂解爐用熱。從旋風(fēng)分離器中分離出的氣態(tài)生物質(zhì)送精餾洗滌塔洗滌，塔頂排出的氣體經(jīng)冷凝器冷凝后進(jìn)入油水分離器，分離出輕質(zhì)油。精餾洗滌塔塔底的重油經(jīng)冷卻后得到重油產(chǎn)品。

圖2 自熱式生物質(zhì)熱裂解工藝流程Fig.2 Biomass pyrolysis thermal cycle process

自熱式生物質(zhì)熱裂解工藝的主要特點是:熱裂解爐用自身產(chǎn)生的燃?xì)饧訜幔恍枰魏位剂?熱量被充分利用，可通過調(diào)節(jié)裂解溫度，調(diào)整所產(chǎn)生燃?xì)獾谋嚷?，一方面滿足生產(chǎn)過程用熱，一方面使裝置的產(chǎn)油率最高;整個裝置不排放任何污染物，洗滌塔底流出的含渣高沸點產(chǎn)物量少，且可作為鍋爐燃料油使用。因此，該工藝流程能高效、綜合地提高熱裂解過程中的熱能利用率，從而降低生產(chǎn)成本，提高炭、可冷凝氣體和可燃?xì)怏w或生物質(zhì)燃料的產(chǎn)出率和質(zhì)量。

李濱等利用ZRS200型錐式生物質(zhì)閃速熱裂解裝置對生物質(zhì)熱裂解氣液化冷凝技術(shù)進(jìn)行了深入研究，該裝置由喂入、反應(yīng)器和收集三個主要部分組成，熱裂解溫度600℃。熱裂解氣的冷凝采用直混式對噴冷凝塔，使得從旋風(fēng)分離器分離出來的熱裂解氣體，在冷凝塔中與冷的生物油直接接觸，并在1～2 s內(nèi)迅速冷凝成生物油［11］。這種直接接觸式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，沒有間接換熱熱阻，傳熱效率高，節(jié)能效果明顯等特點。圖3為ZRS200型錐式生物質(zhì)閃速熱裂解工藝流程。

圖3 ZRS200型錐式生物質(zhì)閃速熱裂解工藝流程Fig.3 Biomass flash pyrolysis ZRS200Cone type process

青島科技大學(xué)丁赤民等研發(fā)了下吸式移動床生物質(zhì)秸稈閃速熱裂解工藝［12］，該工藝結(jié)合了自熱式生物質(zhì)熱裂解工藝和ZRS200型錐式生物質(zhì)閃速熱裂解工藝特點，采用裂解產(chǎn)生的燃?xì)庾鳛榱呀鉅t熱源，燃燒后的氣體用于脫除生物質(zhì)原料中的空氣，同時對原料進(jìn)行預(yù)熱;部分生物油循環(huán)，直接用于裂解氣的洗滌，提高熱利用率，達(dá)到節(jié)能目的。目前，該工藝已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

圖4為下吸式移動床生物質(zhì)閃速熱裂解工藝流程。

圖4 下吸式移動床生物質(zhì)閃速熱裂解工藝流程Fig.4 Biomass flash pyrolysis moving bed process

3 結(jié)束語

目前，世界各國都在對可再生能源進(jìn)行研究，生物質(zhì)秸稈作為一種潔凈能源，其利用時SO2、NO2等危害氣體排放量極小，而且具有CO2零排放的優(yōu)點［13］。生物質(zhì)熱裂解過程依靠自身產(chǎn)生的熱量進(jìn)行供熱，沒有外界能量的輸入，真正實現(xiàn)了節(jié)能減排。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和秸稈清潔能源成本的降低，我們深信，清潔秸稈能源的利用具有美好的前景。

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