閃熱裂

生物質閃速裂解是使生物質的有機高聚物在隔絕空氣、常壓、快速加熱到400～600℃（約10K/s 的升溫速率）， 超短反應時間（小於2s）的條件下迅速斷鏈分子鍵，使結炭和產氣降到最小限度，從而最大限度地獲得生物質油。依據這一原理，出現了渦旋反應器、燒蝕裂解、旋轉錐、沸騰流化床、循環流化床等工藝。

基本介紹

• 中文名：閃熱裂
• 外文名：flash pyrolysis
• 全稱：閃速熱裂解

研究背景

上世紀八十年代初，加拿大的Waterloo大學研製的快速熱裂解（WFP法）和美國國家再生能源實驗室研製的燒蝕熱裂解生物質，實現了使生物質最大化地轉化為生物質油（bio- oil），最大轉化率超過80%。從那以後，世界各國相繼開展了這方面的研究。

閃速裂解

閃速裂解也稱為快速裂解，指生物質在常壓、超高加熱速率10K/s左右、超短產物停留時間的熱裂解。當溫度在400～650℃時，可獲得最大限度的液體產率。最高的液體產率已達85%（質量分數），僅有少量的氣體和焦炭生成，此過程稱為生物質的常壓閃速液化。當裂解溫度高於700℃時，可獲得80%（質量分數）的氣體產率及少量的液體和焦炭。

常見的閃速裂解工藝

生物質閃速裂解技術的基本原理是：使生物質的有機高聚物在隔絕空氣、常壓、快速加熱到400～600℃（約10K/s的升溫速率）、超短反應時間（小於2s）的條件下迅速斷鏈分子鍵，使結炭和產氣降到最小限度，從而獲得最大限度的生物質油。依據這個原理，世界各國通過反應器的設計、製造及工藝條件的控制，開發了各種類型的閃速熱解工藝，下面介紹幾種常見的工藝。

1、渦旋反應器裂解工藝

渦旋反應器（vortex reactor）由美國國家可再生能源實驗室（NREL）開發，其工藝流程如圖1所示。物料顆粒在載氣（N₂）的推動下，沿預熱的圓筒壁螺旋線向前高速（1200m/s）滑動穿過被加熱反應器，顆粒通過與器壁的滑動接觸獲得熱傳遞，使其發生熔融裂解。在壁面溫度625℃時，液體產率可達55%。

圖1

2、燒蝕裂解工藝

燒蝕裂解（ablative pyrolysis）如圖2所示。

圖2

把生物質壓到反應器內旋轉的刀片上，通過摩擦，在生物質表面上裂解的液體輕煙上升，形成新的裂解層；這樣裂解的薄液體離開表面是很容易完成的。燒蝕熱解看起來是很有工業套用前景，因為它能滿足閃速裂解的高加熱速率和高質量傳輸速率，而且不在乎生物質屑顆粒的大小。1997年時，英國伯明罕Aston大學有一個規模1～2kg/h這樣的裝置。

3、旋轉錐反應工藝

荷蘭Twente大學開發的旋轉錐式（rotatingcone）反應工藝，不用載氣，不僅大大地減少了裝置體積，而且減輕了冷凝器負荷，液化效率較高，生物質顆粒與惰性熱載體一起加入旋轉錐底部，在沿錐壁螺旋上升過程中快速發生裂解反應。缺陷是對原料粒度要求高（小於200μm）。現已有成套生產生物質油的設備投放市場，瀋陽農業大學於1995年就引進了一套規模為10kg/h的裝置。目前，荷蘭Twente大學有一套5t/d生物質反應設備在運行，正打算把它改造成50t/d。

4、旋風裂解工藝

旋風（cyclone）反應工藝是近幾年出現的工藝，生物質的加熱、反應和產物的分離在同一反應器里進行。渦旋反應器工藝和旋風裂解工藝都需要載氣，旋風裂解能避免出現燒結成塊的問題。它的缺點在於產物中存在微小的固體顆粒，通過選擇旋轉過濾器的設定和旋轉速度，能基本避免產物中的固體顆粒。

Jacques通過旋風裂解實驗，指出得到的固體、液體和氣體產物之和接近100%，質量守恆有利於裂解機理的研究。其中得到的焦炭低於3%，裂解能力大約為1m受熱表面積為9g/s。

5、沸騰流化床裂解工藝

沸騰流化床（bubbling fluidized bed）也叫絕熱流化床（adiabatic fluidized bed），該工藝由加拿大Waterloo大學研製開發。生物質在一連續流化床中裂解，沙子為載熱體，它的熱容是相同體積氣體的1000倍，當它與粉碎為細粉的生物質接觸時，可實現很高的傳熱速率（1000℃/s以上）和極短的反應停留時間。揮發物通過反應器中的氣固快速分離、冷激等過程，得到最大產率的液體產品達80%以上。該工藝在世界各地運行都很成功，加拿大Dyna Motive現有一個處理能力為10t/d的示範工廠，正打算把它擴建到100t/d。

6、循環流化床裂解工藝

循環流化床（circulating fluidized bed， CFB）裂解工藝由加拿大Ensyn工程協會開發研製，如圖3所示。該裝置的特點是設備小巧，氣相停留時間短，可防止裂解蒸汽的二次裂解，從而獲得較高的液體產率；但其主要缺點是需要載氣對設備內的熱載體及生物質進行流化。目前Ensyn工程協會有一個70t/d的示範工廠。我國中科院廣州能源研究所（GIEC）也自主研製了生物質循環流化床的小型裝置，以石英砂作為循環介質，以木粉為原料，反應溫度為500℃時，可獲得63%的液體產率。

圖3

7、真空裂解工藝

熱循環真空裂解（vacuum pyrolysis）工藝由加拿大Sainte- Foy的Institute Pyrovac Inc.研製開發見圖4。熔融鹽作為加熱介質，為生物質傳遞必需的能量，真空艙內有一個特殊攪拌系統使生物質與之混合。它的優點在於裂解蒸汽停留時間短，大大減少了二次裂解；缺點是需要大功率真空泵，價格高、能耗高，放大困難。

圖4

8、攜帶床反應器工藝

攜帶床反應器（entrained bed reactor）由美國Georgia工程學院（GIT）開發的，它以丙烷和空氣按照化學計量比引入反應管下部的燃燒區，高溫燃燒氣將生物質快速加熱分解。該工藝的缺點是需要大量的高溫燃氣，並產生大量低熱值的不凝氣。

9、錐形噴射床裂解工藝

錐形噴射床（conical spouted- bed）是近年出現的閃速裂解工藝，對它的評價超過了以前評價最高的沸騰流化床工藝。該工藝設備簡單，易於放大，對反應條件（固體流速、顆粒大小和密度）要求不高，能減少熔析，需要的沙子數量少，能增加反應器單位體積的反應量。

生物質閃速熱裂解製備生物質油在上述生物質閃速裂解工藝中，評價最高的是循環流化床、沸騰流化床和錐形噴射床閃速裂解工藝。熱電漿快速裂解液化是最近出現的生物質液化新方法，它採用熱電漿加熱生物質顆粒，快速升溫，然後迅速分離、冷凝，得到液體產物；我國的山東工程學院開展了這方面的試驗研究。同時，人們也在對常用的閃速裂解工藝進行不斷的發展和完善，如兩個內連線的流化床工藝、旋轉錐部分沉浸在流化床中的工藝等。