生物质热解
摘 要：主要论述了生物质热解技术的原理、热解反应过程、热解工艺类型及影响因素。在分析国内外发展现状的基础上，提出生物质热解技术主要存在的不足，对生物质热解技术的发展前景进行了展望。
关键词：生物质热解；研究进展；发展现状；展望
0 引 言
通过生物质能转换技术可高效地利用生物质能源， 生产各种清洁能源和化工产品，从而减少人类对于化石能源的依赖，减轻化石能源消费给环境造成的污染。 目前，世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。
生物质热解是指生物质在没有氧化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有限氧的条件下，加热到逾500℃，通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。生物质热解的燃料能源转化率可达95.5%，最大限度的将生物质能量转化为能源产品，物尽其用，而热解也是燃烧和气化必不可少的初始阶段[1]。
1 热解技术原理
1.1 热解原理
从化学反应的角度对其进行分析， 生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反应，包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。木材、林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。热重分析结果表明，纤维素在52℃时开始热解，随着温度的升高，热解反应速度加快，到350～370℃时，分解为低分子产物，其热解过程为：
(C6H10O5)n→nC6H10O5
C6H10O5→H2O+2CH3-CO-CHO
CH3-CO-CHO+H2→CH3-CO-CH2OH
CH3-CO-CH2OH+H2→CH3-CHOH-CH2+H2O
半纤维素结构上带有支链，是木材中最不稳定的组分，在225～325℃分解，比纤维素更易热分解，其热解机理与纤维素相似[2]。
从物质迁移、能量传递的角度对其进行分析，在生物质热解过程中，热量首先传递到颗粒表面，再由表面传到颗粒内部。热解过程由外至内逐层进行，生物质颗粒被加热的成分迅速裂解成木炭和挥发分。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可以得到生物油。一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。在多孔隙生物质颗粒内部的挥发分将进一步裂解，形成不可冷凝气体和热稳定的二次生物油。同时，当挥发分气体离开生物颗粒时，还将穿越周围的气相组分，在这里进一步裂化分解，称为二次裂解反应。生物质热解过程最终形成生物油、不可冷凝气体和生物质[3，4]。
1.2 热解反应基本过程
根据热解过程的温度变化和生成产物的情况等， 可以分为干燥阶段、预热解阶段、固体分解阶段和煅烧阶段。
1.2.1 干燥阶段（温度为120～150℃），生物质中的水分进行蒸发，物料的化学组成几乎不变。
1.2.2 预热解阶段（温度为150～275℃），物料的热反应比较明显，化学组成开始变化，生物质中的不稳定成分如半纤维素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物质。上述两个阶段均为吸热反应阶段。
1.2.3 固体分解阶段（温度为275～475℃），热解的主要阶段，物料发生了各种复杂的物理、化学反应，产生大量的分解产物。生成的液体产物中含有醋酸、木焦油和甲醇（冷却时析出来）；气体产物中有CO2、CO、CH4、H2等，可燃成分含量增加。这个阶段要放出大量的热。
1.2.4 煅烧阶段（温度为450～500℃），生物质依靠外部供给的热量进行木炭的燃烧，使木炭中的挥发物质减少，固定碳含量增加，为放热阶段。实际上，上述四个阶段的界限难以明确划分，各阶段的反应过程会相互交叉进[5，6]。
2 热解工艺及影响因素
2.1 热解工艺类型
从对生物质的加热速率和完成反应所用时间的角度来看，生物质热解工艺基本上可以分为两种类型：一种是慢速热解，一种是快速热解。在快速热解中，当完成反应时间甚短（＜0.5s）时，又称为闪速热解。根据工艺操作条件，生物质热解工艺又可分为慢速、快速和反应性热解三种。在慢速热解工艺中又可以分为炭化和常规热解[5]。
慢速热解（又称干馏工艺、传统热解）工艺具有几千年的历史，是一种以生成木炭为目的的炭化过程，低温干馏的加热温度为500～580℃，中温干馏温度为660～750℃， 高温干馏的温度为900～1100℃。将木材放在窑内，在隔绝空气的情况下加热，可以得到占原料质量30%～35%的木炭产量。
快速热解是将磨细的生物质原料放在快速热解装置中，严格控制加热速率（一般大致为10～200℃/s）和反应温度（控制在500℃左右）， 生物质原料在缺氧的情况下，被快速加热到较高温度，从而引发大分子的分解，产生了小分子气体和可凝性挥发分以及少量焦炭产物。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体，成为生物油或焦油，其比例一般可达原料质量的40%～60%。
与慢速热解相比，快速热解的传热反应过程发生在极短的时间内，强烈的热效应直接产生热解产物，再迅速淬冷，通常在0.5s内急冷至350℃以下，最大限度地增加了液态产物（油）。
常规热解是将生物质原料放在常规的热解装置中，在低于600℃的中等温度及中等反应速率（0.1～1℃/s）条件下，经过几个小时的热解，得到占原料质量的20%～25%的生物质炭及10%～20%的生物油[7～9]。
2.2 热解影响因素
总的来讲，影响热解的主要因素包括化学和物理两大方面。化学因素包括一系列复杂的一次反应和二次反应；物理因素主要是反应过程中的传热、传质以及原料的物理特性等。具体的操作条件表现为：温度、物料特性、催化剂、滞留时间、压力和升温速率[10]。
2.2.1 温度
在生物质热解过程中，温度是一个很重要的影响因素， 它对热解产物分布、组分、产率和热解气热值都有很大的影响。生物质热解最终产物中气、油、炭各占比例的多少，随反应温度的高低和加热速度的快慢有很大差异。一般地说，低温、长期滞留的慢速热解主要用于最大限度地增加炭的产量，其质量产率和能量产率分别达到30%和50%（质量分数）[11～13]。
温度小于600℃的常规热解时，采用中等反应速率，生物油、不可凝气体和炭的产率基本相等；闪速热解温度在500～650℃范围内，主要用来增加生物油的产量，生物油产率可达80%（质量分数）；同样的闪速热解，若温度高于700℃，在非常高的反应速率和极短的气相滞留期下，主要用于生产气体产物，其产率可达80%（质量分数）。当升温速率极快时，半纤维素和纤维素几乎不生成炭[5]。
2.2.2 生物质材料的影响
生物质种类、分子结构、粒径及形状等特性对生物质热解行为和产物组成等有着重要的影响[3]。这种影响相当复杂，与热解温度、压力、升温速率等外部特性共同作用，在不同水平和程度上影响着热解过程。 由于木质素较纤维素和半纤维素难分解，因而通常含木质素多者焦炭产量较大；而半纤维素多者，焦炭产量较小。在生物质构成中，以木质素热解所得到的液态产物热值为最大；气体产物中以木聚糖热解所得到的气体热值最大[5]。
生物质粒径的大小是影响热解速率的决定性因素。粒径在1mm以下时，热解过程受反应动力学速率控制，而当粒径大于1mm时，热解过程中还同时受到传热和传质现象的控制。大颗粒物料比小颗粒传热能力差，颗粒内部升温要迟缓，即大颗粒物料在低温区的停留时间要长，从而对热解产物的分布造成了影响。 随着颗粒的粒径的增大，热解产物中固相炭的产量增大。从获得更多生物油角度看，生物质颗粒的尺寸以小为宜，但这无疑会导致破碎和筛选有难度，实际上只要选用小于1mm的生物质颗粒就可以了。
2.2.3 催化剂的影响
有关研究人员用不同的催化剂掺入生物质热解试验中，不同的催化剂起到不同的效果。如：碱金属碳酸盐能提高气体、碳的产量，降低生物油的产量，而且能促进原料中氢释放，使空气产物中的H2/CO增大；K+能促进CO、CO2的生成，但几乎不影响H2O的生成；NaCl能促进纤维素反应中H2O、CO、CO2的生成；加氢裂化能增加生物油的产量，并使油的分子量变小。
另外，原料反应得到的产物在反应器内停留时间、反应产出气体的冷却速度、原料颗粒尺寸等，对产出的炭、可燃性气体、生物油（降温由气体析出）的产量比例也有一定影响[5]。
2.2.4 滞留时间
滞留时间在生物质热解反应中有固相滞留时间和气相滞留时间之分。固相滞留时间越短，热解的固态产物所占的比例就越小，总的产物量越大，热解越完全。在给定的温度和升温速率的条件下，固相滞留时间越短，反应的转化产物中的固相产物就越少，气相产物的量就越大。气相滞留期时间一般并不影响生物质的一次裂解反应过程，而只影响到液态产物中的生物油发生的二次裂解反应的进程。当生物质热解产物中的一次产物进入围绕生物质颗粒的气相中，生物油就会发生进一步的裂化反应，在炽热的反应器中，气相滞留时间越长，生物油的二次裂解发生的就越严重，二次裂解反应增多，放出H2、CH4、CO等，导致液态产物迅速减少，气体产物增加。所以，为获得最大生物油产量，应缩短气相滞留期，使挥发产物迅速离开反应器，减少焦油二次裂解的时间[3～5]。
2.2.5 压力
压力的大小将影响气相滞留期，从而影响二次裂解，最终影响热解产物产量的分布。随着压力的提高，生物质的活化能减小，且减小的趋势渐缓。在较高的压力下，生物质的热解速率有明显的提高，反应也更激烈，而且挥发产物的滞留期增加，二次裂解较大；而在低的压力下，挥发物可以迅速从颗粒表面离开，从而限制了二次裂解的发生，增加了生物油产量[14，15]。
2.2.6 升温速率
升温速率对热解的影响很大。一般对热解有正反两方面的影响。升温速率增加，物料颗粒达到热解所需温度的相应时间变短，有利于热解；但同时颗粒内外的温差变大，由于传热滞后效应会影响内部热解的进行。随着升温速率的增大，温度滞后就越严重，热重曲线和差热曲线的分辨力就会越低，物料失重和失重速率曲线均向高温区移动。热解速率和热解特征温度（热解起始温度、热解速率最快的温度、热解终止温度）均随升温速率的提高呈线形增长。在一定热解时间内，慢加热速率会延长热解物料在低温区的停留时间，促进纤维素和木质素的脱水和炭化反应，导致炭产率增加。气体和生物油的产率在很大程度上取决于挥发物生成的一次反应和生物油的二次裂解反应的竞争结果，较快的加热方式使得挥发分在高温环境下的滞留时间增加，促进了二次裂解的进行，使得生物油产率下降、燃气产率提高[16～18]。
3 热解技术研究现状
3.1 国内研究现状
与欧美一些国家相比，亚洲及我国对生物质热解的研究起步较晚。近十几年来，广州能源研究所生物质能研究中心、浙江大学、东北林业大学等单位做了一些这方面的工作。
广州能源研究所生物质能研究中心，目前研究方向重点为生物质热化学转化过程的机理及热化学利用技术。其研究内容为：（1）高能环境下的热解机理研究：等离子体热解气化、超临界热解等；（2）气化新工艺研究：高温气化、富氧气化、水蒸汽气化等；（3）气化技术系统集成及应用：新型气化装置、气化发电系统等；（4）生物质气化燃烧与直接燃烧：气化燃烧技术、热解燃烧技术、直接燃烧等。
浙江大学着眼于流化床技术在生物质清洁能源规模化利用上显示出的巨大潜在优势，在上世纪末成功开发了以流化床技术为基础的生物质热裂解液化反应器，并在先期成功试验的基础上，针对已有的生物质热裂解液化工艺中能源利用率不高以及液体产物不分级等缺点，采用独特的设计方案研发了生物质整合式热裂解分级制取液体燃料装置，得出了各运行参数对生物质热解产物的得率及组成的影响程度，适合规模化制取代用液体燃料。目前正在开展深层技术和扩展应用的研究。
东北林业大学生物质能研究中心研究方向： 转锥式生物质闪速热解液化装置。经过一系列的调试、实验和改进后，现已经探索出了一些基本的设计规则和经验。现阶段设备制造已完成，即将进入实验阶段，为今后设备改进及技术推广打好坚实的基础。
另外在快速热裂解研究上，沈阳农业大学在联合国粮农组织（FTO）的协助下，从荷兰的BTG集团引入一套50 kg/h旋转锥闪速热解装置并进行了相关实验研究；上海理工大学、华东理工大学、浙江大学、中国科学院广州能源研究所、清华大学、哈尔滨工业大学和山东理工大学等单位也开展了相关实验研究，目前正在开展深层技术和扩展应用的研究。在现在技术的支持下，用于商业运行的只有输运床和循环流化床系统[19，20]。
河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室也长期进行了生物质热解方面的研究。“YNO4型生物质燃气脱焦机”的诞生解决了现有生物质热解气化机组净化装置复杂、脱焦效率低且焦油难收集等问题，结构简单，操作方便，避免了二次污染，系统运行可靠，维护费用低，经济效益显著，适用于各类生物质热解气化机组的配套及其商业化应用，已于2001年11月通过省科技厅技术鉴定，并已在许昌机电厂投入批量生产。
同时，该实验室与河南商丘三利新能源有限公司对生物质热解产物进行了综合利用的研究，并形成了配套设备。根据农作物秸秆资源存在着季节性、分散性的特点和运输、储存难的矛盾，采取了分散和集中的模式，即在农作物秸秆易收集的范围内建造小型生物质热解装置，就地使用生物质燃气， 然后将便于运输的生物质炭、焦油、木醋液收集，建设若干集中加工厂，生产多种产品以供各种用途，较适合我国的国情。
3.2 国外研究现状
生物质热解技术最初的研究主要集中在欧洲和北美。20世纪90年开始蓬勃发展，随着试验规模大小的反应装置逐步完善，示范性和商业化运行的热解装置也被不断地开发和建造。欧洲一些著名的实验室和研究所开发出了许多重要的热解技术，20世纪90年代欧共体JOULE计划中生物质生产能源项目内很多课题的启动就显示了欧盟对于生物质热解技术的重视程度。
但较有影响力的成果多在北美涌现，如加拿大的Castle Capital有限公司将BBC公司开发的10Kg/h～25Kg/h的橡胶热烧蚀反应器放大后，建造了1500Kg/h～2000 kg/h规模的固体废物热烧蚀裂解反应器，之后，英国Aston大学、美国可再生能源实验室、法国的Nancy大学及荷兰的Twente大学也相继开发了这种装置。
荷兰Twente大学反应器工程组及生物质技术（BTG）集团研制开发了旋转锥热裂解反应器，由于工艺先进、设备体积小、结构紧凑，得到了广泛的研究和应用；Hamberg木材化学研究所对混合式反应器鼓泡床技术进行了改进和发展，成功地采用静电扑捉和冷凝器联用的方式，非常有效地分离了气体中的可凝性烟雾。ENSYN基于循环流化床的原理在意大利开发和建造了闪速热解装置（RTP），还有一些小型的实验装置也相继在各研究所安装调试。
传统的热解技术不适合湿生物质的热转化。针对这个问题，欧洲很多国家己开始研究新的热解技术，这就是Hydro Thermal Upgrading（HTU）。将湿木片或生物质溶于水中，在一个高压容器中，经过15min（200℃，300bar）软化，成为糊状，然后进入另一反应器（330℃，200bar）液化5～15min。经脱羧作用，移去氧，产生30%CO2、50%生物油，仅含10%～15%的氧。荷兰Shell公司证明：通过催化，可获得高质量的汽油和粗汽油。这项技术可产生优质油（氧含量比裂解油低），且生物质不需干燥，直接使用[21，22]。
4 前景与展望
面对化石能源的枯竭和环境污染的加剧，寻找一种洁净的新能源成了迫在眉睫的问题。现在全世界都把目光凝聚在生物质能的开发和利用上。生物质能利用前景十分广阔，但真正实际应用还取决于生物质的各种转化利用技术能否有所突破。
随着技术的不断完善，研究的方向和重点也在拓宽，以前侧重热解反应器类型及反应参数，以寻求产物最大化，而现在整体利用生物质资源的联合工艺以及优化系统整体效率被认为是最大化热解经济效益、具有相当大潜力的发展方向；除此之外，提高产物品质，开发新的应用领域，也是当前研究的迫切要求。
我国生物质热解技术方面的研究进展缓慢，主要是因为研究以单项技术为主，缺乏系统性，与欧美等国相比还有较大差距。 特别是在高效反应器研发、工艺参数优化、液化产物精制以及生物燃油对发动机性能的影响等方面存在明显差距。同时，热解技术还存在如下一些问题：生物油成本通常比矿物油高，生物油同传统液体燃料不相容，需要专用的燃料处理设备；生物油是高含氧量碳氢化合物，在物理、化学性质上存在不稳定因素，长时间贮存会发生相分离、沉淀等现象，并具有腐蚀性；由于物理、化学性质的不稳定，生物油不能直接用于现有的动力设备，必须经过改性和精制后才可使用；不同生物油品质相差很大，生物油的使用和销售缺少统一标准，影响其广泛应用。以上问题也是阻碍生物质高效、规模化利用的瓶颈所在[6]。
针对以上存在的差距和问题，今后的研究应主要集中在如何提高液化产物收率，寻求高效精制技术，提高生物油品质，降低运行成本，实现产物的综合利用和工业化生产等方面。同时加强生物质液化反应机理的研究，特别是原料种类及原料中各种成分对热化学反应过程及产物的影响。在理论研究的基础上，将现有设备放大，降低生物油生产成本，逐渐向大规模生产过渡，完善生物油成分和物理特性的测定方法，制定统一的规范和标准，开发生物油精制与品位提升新工艺，开发出用于热化学催化反应过程中的低污染高效催化剂，使其能够参与化石燃料市场的竞争[23]。?
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美国:秸秆乙醇成新宠
美国有24个农业州，每年都有大量的秸秆需要处理。据美国农业部的一项统计资料，全美每年能够收集起来的小麦秸秆就多达4500万吨，而这些仅占全年产生的所有小麦秸秆的50％。秸秆在美国的用途很广，可用作饲料、手工制品等，有的地方还用来盖房，将整捆的秸秆高强度挤压后填充新房的墙壁。近几年，秸秆的综合回收利用还和纤维素乙醇的提炼联系了起来。近年来，美国加大了秸秆综合回收利用的研发力度。美国能源部明确指出，小麦秸秆是可再生生物能源的一个重要来源。2007年6月，美国农业部和能源部分别出资1400万美元和400万美元，共同设立一项基金，资助有关生物燃料、生物能源及相关产品的研究与开发。
丹麦:秸秆串起“黄金圈”
丹麦是世界上首先使用秸秆发电的国家。位于丹麦首都哥本哈根以南的阿维多发电厂建于上世纪90年代，被誉为全球效率最高、最环保的热电联供电厂之一。阿维多电厂每年燃烧15万吨秸秆，可满足几十万用户的供热和用电需求。和煤、油、天然气相比，秸秆成本低、污染少，是电厂认为最划算的燃料。此外，秸秆燃烧后的草木灰还可以无偿地返还给农民作为肥料。使用秸秆发电，电厂降低了原料的成本，百姓享受了便宜的电价，环境受到保护，新能源得以开发，同时还使农民增加了收入，串联起了一个“黄金圈”。
日本:秸秆几乎全利用
日本处理秸秆的方式主要有两种：混入土中还为肥料，以及作为粗饲料喂养家畜。根据近年统计数据，该国每年产生的秸秆几乎被全部利用。其中，翻入土层中还田的约占68％，作为粗饲料养牛的约占10.5％，与畜粪混合作成肥料的约占7.5％，制成畜栏用草垫的约占4.7％，只有一小部分难以处理的秸秆被就地燃烧。目前，日本正在积极挖掘秸秆的燃料转化潜力。有官员表示，当务之急是开发出利用植物纤维的生物燃料，避免影响粮食供应价格。对于燃料和粮食都依赖进口的日本来说，这一点尤为重要。据悉，日本地球环境产业技术研究机构与本田技术研究所已共同研制出从秸秆所含纤维素中提取乙醇燃料的技术。
CCUS团队
煤炭能源利用过程中不可避免产生大量CO2等温室气体。煤炭能源低碳转化与利用的一个重要途径就是将这些二氧化碳收集起来再利用或者封存于地下。因此，碳捕获、利用与封存(CCUS)是一个集理论基础和技术应用研究于一体的新的温室气体控制方向。低碳能源研究院CCUS团队整合了学校水文地质、化学工程、环境工程、电力工程等学科的优势研究资源，引进清华大学、华东理工大学、浙江大学、中国矿业大学等高校优秀博士。团队首席专家有秦勇教授、冯启言教授等。团队依托“江苏省煤基CO2捕集与地质封存重点实验室”，重点对煤层储存CO2的机理、能力评估和储存技术、煤炭燃烧前CO2的捕集与提纯技术、CO2资源化再利用技术、CO2地质封存安全监测技术以及CO2捕集与封存的经济、管理与政策等方向开展研究。
煤地下气化研发团队
煤地下气化研究在中国矿业大学已有近30年历史。先后在江苏徐州，河北唐山、山东新汶、内蒙乌兰察布、甘肃华亭等地进行了大量半工业、工业试验。取得了井式“长通道、大断面、两阶段”地下导控气化新技术、深冷空分制氧系统制备地下气化剂新技术、无井式煤炭地下气化技术等。2010年5月我校在甘肃华庭进行的“矿区难采煤气化绿色低碳开采与绿色煤电产业化”示范试验，成功点火运行。日产气量16万标准立方米/天，空气煤气热值平均5.45兆焦耳/标准立方米, 水煤气热值10.26 兆焦耳/标准立方米。尤其是在地下气化炉的燃烧可测可控性、产气优质稳定性、气流的畅通性和炉体的密闭性等方面都取得了突破性进展。从煤炭清洁转化与利用角度，将我国数千亿吨经济不可采的以及大量滞留的煤炭采用地下气化方法变成煤气，然后发电或者化工利用，是一个非常重要的高碳能源低碳转化途径。为此，研究院整合采矿工程、安全工程、地质工程、化学工程等学科的优势研究资源，引进南京大学、太原理工大学、中国矿业大学的优秀博士形成了“煤地下气化研发团队”。首席专家是王作棠教授。团队重点对煤地下燃烧的催化剂与抑制剂的研发、导控工艺流程的设计与优化、燃烧控制机理、多联产技术、工业设计等开展重点攻关。主要研究方向包括：
1、煤炭地下导控气化绿色开采新理论与工艺；
2、基于“三下一上”滞留煤条带充填气化开采的岩层控制理论及技术；
3、煤炭地下导控气化过程测控技术研究；
4、煤炭地下导控气化工程技术装备研究；
5、煤炭地下导控气化工程技术经济研究；
6、煤气甲烷化与发电的能源化工多联产新技术。
碳资源高效利用研发团队
随着新的可再生能源的不断开发，从长远看化石能源在我国能源结构中的比例将逐渐减少。煤炭的能源属性弱化的同时，其资源属性将强化。碳资源高效低碳利用研发团队整合学校化工学院、材料学院和有关重点实验室的优势资源，引进了日本、加拿大和美国等发达国家相关领域的高端人才及南京大学、清华大学、大连理工大学及太原理工大学等高校毕业的优秀博士。团队首席专家是魏贤勇教授。团队致力于用可分离和非破坏性或轻度破坏性的方法从分子水平上揭示重质碳资源中有机质的组成结构，在此基础上开发温和条件下重质碳资源中有机质的定向转化和反应混合物精细分离的新工艺，以期实现重质碳资源中有机质的高附加值利用，形成相关技术的产业链。主要研究方向包括：
1. 煤中有机质的组成结构分析和定向转化
2. 煤焦油、煤液化重质油和残渣及重质石油的精细分离
3. 沥青基高性能炭材料的制备和功能性大分子的合成
4. 生物质的温和解聚和高附加值利用
5. 药用植物中生物活性成分的分离和分析
生物质能研发团队
尽管我国人多地少，发展生物质能受到一些限制，但是我国土地农业利用率高，每年生产大量农作物副产品如秸秆等是生物质能的主要原料。目前国际生物质能研究的热点是：具有可选性和总体效益的高级生物质能转换技术的开发、生物燃料在燃烧与热力过程中的转化机理、生物燃料的理化特性对可靠性的影响、生物质能转换设备、可靠与低成本的能源作物、新的生物制炼技术、新一代交通使用的生物燃料等。低碳能源研究院生物质能研发团队整合化工学院、环境与测绘学院等的相关优势资源，引进日本、挪威等国家高级专业人才。首席专家是宗志敏教授。主要在生物质的温和解聚和高附加值利用、药用植物中生物活性成分的分离和分析等方面展开研究。
碳足迹调查、监测与评价研发团队
碳足迹(Carbon Footprint)通常也被称为“碳耗用量”，是一个用于描述某个特定活动或机构产生温室气体（GHG）排放量的术语，它是评价部门、行业或企业、个体排放的温室气体对气候变化贡献的一个国际通用指标。其中的“碳”，就是石油、煤炭、木材等由碳元素构成的自然资源，“碳”耗用的越多，排放二氧化碳也越多，“碳足迹”就越大；反之，“碳足迹”就越小。由此可见，碳足迹是一种新的用来测量因消耗能源而产生的二氧化碳排放对环境影响的指标。
煤炭生产的碳足迹应该如何科学测算？碳足迹应该包括哪些内容？研究院的碳足迹调查、监测与评价研发团队主要研究煤炭开采地表植被破坏和土壤扰动的碳足迹当量计算方法；煤炭开采中甲烷等温室气体排放量测算方法；煤炭加工中碳足迹计算方法；碳足迹监测技术等。团队首席专家是张绍良教授。
低浓度瓦斯综合利用研发团队
这里的低浓度瓦斯主要是指矿井风排瓦斯。瓦斯的温室效应是二氧化碳的21倍，因此将这些低浓度瓦斯收集、提纯并利用起来，对减少煤矿的碳足迹作用十分明显。低浓度瓦斯综合利用研发团队整合安全工程、煤矿瓦斯治理国家工程研究中心、化学工程、电力工程等优势研究资源，针对乏风瓦斯的采集、提纯、运输和综合利用等的关键技术难题展开研究。该团队正在组建中。
新能源研究所
新能源研究所由中国矿业大学材料、物理、化学、机械、热能、电子、光学等学科共同组建。主要研究方向包括高纯多晶硅材料、高效多晶硅材料、光伏能源关键技术、薄膜太阳能电池、生物质能源、风力发电技术等。研究所与德国RWE公司、乌泊塔尔大学，英国诺丁汉大学、伯明翰大学，美国明尼苏达大学、俄亥俄州立大学保持紧密合作关系。研究所目前承担“973”、“863”、“十一五”科技支撑计划、国家自然科学基金重大项目等研究课题多项，同时为中能硅业科技发展有限公司提供重要技术支撑。
节能减排研究所
节能减排研究所由中国矿业大学地质、安全、化学工程、环境工程、地球物理、电气工程、采矿工程等学科共同组建。主要研究方向为煤层气抽采与利用技术、二氧化碳捕集与储存技术、矸石充填采煤技术、呆滞煤炭资源再开采技术、煤炭地下气化技术等。研究所与德国RWE能源公司、波鸿工业技术大学、DMT公司，澳大利亚昆士兰大学、联邦科学研究组织（CSIRO）、西澳大学，美国西弗吉尼亚大学、肯塔基大学，波兰煤炭科学院、西里西亚工业大学保持着紧密的科研合作关系。研究所目前承担国家“973”、“863”、国家科技重大专项、国家“十一五”支撑计划和国家自然科学基金重点项目等科研项目。
矿区生态环境研究所
矿区态环境研究所由环境、测绘、采矿、地质、岩土工程、资源与城乡规划、建筑、景观设计与管理等学科共同组建，主要从事矿区矿山生态遥感监测技术与理论、矿山生态风险评价、矿山生态演替过程模拟和演替规律、矿山生态修复新技术开发与推广应用、矿山生态修复政策以及矿山可持续发展等方面的研究。同时，研究所为矿山企业和国土资源管理部门提供相关技术支持和教育培训。研究所与德国波鸿工业技术大学、柏林工业大学、亚琛大学、莱布尼兹生态环境研究所，美国北卡罗莱那大学，加拿大多伦多大学、滑铁卢大学和西安大略大学保持亲密合作关系。研究所目前正在承担国家“863”、“十一五”科技支撑计划、国家自然基金项目等科研项目。
江苏省煤基CO2捕集与地质储存重点实验室
煤基CO2捕集与地质储存重点实验室面向江苏省燃煤产生的温室气体减排和控制所需的重大高新技术需求，针对燃烧前CO2捕集、分离与提纯以及CO2在地质环境储存的重大地质科学与工程技术问题，大力推进条件建设和能力建设，使重点实验室总体居于国内领先水平，基本形成申报国家重点实验室的能力。搭建高起点的CCS研究与高层次专业人才培养平台，大力培养和引进能够跟踪国际发展前沿、具有较强科技创新能力的人才，建设一支在国内同学科领域具有强大学术影响力的创新团队。
主要研究方向：
CCS技术体系十分庞大，牵涉到物理、化学、地学、工程等众多领域，江苏省煤基CO2捕集与地质储存重点实验室主要依托中国矿业大学的研发优势，在燃烧前捕集和地质储存两大领域、三大方向重点攻关。
(1)煤基CO2燃烧前捕集关键技术体系
煤基CO2燃烧前的捕集思路是通过煤的气化生成H2和CO2，H2直接用于燃烧，CO2则捕集起来，所以重点实验室将通过煤基分解化学过程、合成气体理化性状等的基础研究，重点研发低温煤脱硫、降灰和气化一体化集成工艺，达到提高煤热值利用率、获得较高纯度CO2的目标；同时重点研发低温制冷捕集CO2技术，形成一套完整的捕集技术方案。
(2)CO2地质储存关键技术体系
CO2地质储存的关键技术包括处置场所的地质评价、处置量评估、CO2注入技术以及深部含水层/煤层/油田处置CO2的多物理过程的模拟等。该研究方向的目标是形成一套地质处置场所评价指标体系、CO2储存量估算标准与规范、CO2灌注井施工技术、管道、井孔及设备防腐技术、防堵防垢技术、灌注关键技术及相关参数等；开发深部含水层/煤层/油田处置CO2的多物理过程的模拟系统和地下CO2环境演化模拟系统。
(3)CO2地质储存状态监测技术体系
该研究方向的目标是将地震法、电磁法、电阻率法等地球物理探测技术和遥感技术结合起来用于CO2的稳定性探测，形成一套完整的监测体系。
种新型的生物质再生能源，环保清洁，远远低于原煤的成本和市场价格，应用范围极为广泛，可以代替木
柴、原煤、液化气，广泛用于生活炉灶、取暖炉、热水锅炉、工业锅炉等。但是如何将生物质燃料像煤、
煤气和天然气一样在老百姓的生活中普及，还需大力宣传和推广。
2.3交通能源
秸秆的主要成分是碳、氢、氧等元素，有机成分以纤维素、半纤维素为主，其次为木质素、蛋白质、脂肪
、灰分等，用秸秆转化的生物燃料如生物乙醇和生物柴油作为交通能源，同石油、天然气和煤等化石燃料
相比，最大特点是可再生性和对环境更友好。国际上生物交通能源技术相对成熟，主要路线是：谷物、秸
秆、其它植物等发酵生产乙醇-车用油、乙烯、无毒溶剂及上百种化工、原材料产品等；我国秸秆交通能源
技术研究虽然起步较晚，但日趋成熟，有些正形成小型规模和商品化。
3秸秆生物质能源化应用技术
秸秆生物质能源化应用技术主要包括秸秆沼气(生物气化)、秸秆固化成型燃料、秸秆热解气化、直燃发电
和秸秆干馏等方式。
1. 生物质是植物光合作用直接或间接转化的产物。生物质能是指利用生物质生产的能源。目前，作为能源的生物质主要是农林废弃物、城市和工业有机废弃物以及动物粪便等。本文所指的生物质具体指农林废弃物，即农林作物收获和加工过程中所产生的废弃物质和垃圾，如秸秆(玉米秆、花生秆、棉花秆、高梁秆、豆类秆等)、糠皮、山茅草、灌木枝、枯树叶、藤蔓、木屑、皮壳、刨花、锯末等，以及食品加工业排出的残渣，如饼粕、酒糟、甜菜渣、废糖蜜、蔗渣、食品工业下脚料等。
我国每年产生的各种农林废弃物有15亿，其中农业废物资源分布广泛，仅农作物秸杆年产量就7亿吨，可作为能源用途的秸杆约3．5亿吨，折合标准煤1．8亿吨；薪炭林和林业及木材加工废物的资源量约折合3亿吨标准煤，相当于我国石化能源消耗量的1／10还要多。另外，一些油料作物还是制取液体燃料的优质原料，如麻疯树、油菜籽、蓖麻、漆树、黄连木和甜高粱等。预计到2020年，农林废弃物约合11．65亿吨标准煤，可开发量约合8．3亿吨标准煤。另外，目前全国还有5700~公顷宜林地和荒沙荒地，l亿公顷不适宜发展农业的边际土地资源，发展林木生物质能源潜力巨大。
虽然目前新开发的生物质资源的综合利用途径相当多，并且有些途径生物质资源利用率和经济效益都很高，但消耗量小，不能从根本上解决农林废弃物资源的处理和利用问题。生物质作为能源能够最大量地回收利用农林废弃物资源，其产物不但不存在销路问题，还能替代传统燃料，缓解日趋严重的能源危机，能够产生良好的社会经济效益和环境效益。
2生物质能转化机理和技术途径
生物质均由纤维素、半纤维素和木质素等高聚物组成，其基本液化反应分别如下：根据热重分析，纤维素在325 K时，开始降解，随着温度升高，降解加剧，到623～643 K时，降解为低分子碎片。其降解过程如下：
而半纤维素结构上带有支链，比纤维素更易降解，其降解机制与纤维素相似。木质素结构单元通过醚键和c—c键相联，结构比纤维素、半纤维素要复杂得多，木质素的热化学液化反应首先是烷基醚键的断裂反应。木质素大分子在高温、供氢溶剂存在下，通过自由基反应，首先断裂成低分子碎片，其基本反应如下：
通过以上过程，形成小分子碎片，这些碎片进一步通过侧链C—O键、C—C键及芳环C—O键断裂形成低分子量化合物。以上是生物质降解为低分子的基本断裂反应。
快速热解是一个加热速率极快，而滞留时间极短且快速冷却的过程，是一个瞬间完成的过程。上述过程对生物质的降解仍然适用，然而时间极短，可近似等温过程。从反应物与生成物来看有如下过程：
Larfldt J等进行大量研究后，根据反应动力学提出4种热解模式：
模式2、3中炭的馏分通过计算预测，模式 l、4中有竞争反应，因而炭产量有变化。生产过程中，即使用最佳工艺参数，也不能生成单一产物，但通过调整参数可使反应尽可能向所需产物方向发展。如模式1中温度在500℃左右时，极高的加热速率、很短的滞留时间和快速冷却，能提高其K2值，主要产物为焦油，故模式1更适合快速热解。
目前生物质能的转化技术主要有3种：(1)生物质经生物化学处理转化为富含能量的燃料。如将生物质(农作物秸秆、粪便、有机废水等)发酵制得沼气，糖和淀粉原料发酵制酒精。我国在这方面的技术比较成熟，但在大规模处理生物质中将会受到生物质种类和生物技术的限制。(2)生物质经化学处理转化为高价值的化工产品。如利用生物质中的半纤维素在酸性介质下加热获得糠醛，利用稻壳生产白炭黑等。(3)生物质经热化学处理，即生物质在隔绝或少量氧气的条件下，热解反应获得可燃气体、固体木炭和液体生物油3类产品，又称生物质热裂解(生物质热解)。一般地说，生物质热解分低温慢速热解(<400℃)，产物以木炭为主；高温闪速热解(700～1000℃)，产物以可燃气体为主；中温快速热解(400～650℃)，产物以生物油为主。快速热解技术，即生物质瞬间热解制取液体燃料油，是20世纪70年代末国外研究人员研究开发的。其收率高达70％以上，并有文献报道液体生物油的产率最高可达85％，是一种很有开发前景的生物质应用技术。
液体产物收率相对较高的快速热解技术，最大的优点在于其产物生物油易存贮、运输，为工农业大宗消耗品，不存在产品规模和消费的地域限制问题。生物油不但可以简单替代传统燃料，而且还可以从中提取出许多较高附加值的化学品。通过分散热解、集中发电的方式，热解生物油通过内燃机、燃气涡轮机、蒸汽涡轮机完成发电，这些系统可产生热和能，能够达到更高的系统效率，一般为35％～45％，从而解决了发电要求的规模效益，并大大降低了农林废弃物的运输和贮存费用高、占用场地大的问题。
3国内外生物质快速热解技术的研究现状
该技术始于20世纪70年代末，迄今为止，为降低快速热解法的生产成本(按等热值粗略折算，2 t生物原油可折合1 t石化燃料，则目前生产l石油当量吨的生物原油的成本远比生产1 t石化燃料的成本要高)，各国已经对多种反应器和工艺进行了研究，特别是欧、美等发达国家，在进行全面的理论研究的基础上，已建立了相应的实验装置。快速热解法生产的液体燃料可以替代许多锅炉、发动机及透平机所用的燃油，而且还可以从中萃取或衍生出一系列化学物质，如食品添加剂、树脂、药剂等。正因为这些优势，快速热解技术越来越受到关注，工艺发展有了长足的进步。
在美国，采用循环流化床反应器和输送床反应器生产食品添加剂已投入商业运营，生产能力达l～2 t／h。欧洲各国多采用鼓泡流化床反应器，现在西班牙、英国分别建成了200 kg／h的试验厂，意大利建成了500 kg／h的示范装置。为了方便热解液化方面的学术交流和技术合作，欧洲在1995年专门成立了一个PyNE组织(Pyrolysis Net． work for Europe)，拥有18个成员国；2001年成立了GasNet(Europe Biomass Gasification Network)，现已拥有20个成员国以及8家工业单位成员。这些组织成立以来，在快速热解液化技术的开发以及生物油的利用方面做了大量富有成效的工作。
我国关于生物质快速热解研究较为薄弱，但近几年也有不少科研院所在这方面开展了工作。沈阳农业大学开展了国家科委“八五”重点攻关项目“生物质热裂解液化技术”的研究工作，他们在生物质热裂解过程的实验和理论分析方面做了很有成效的工作。浙江大学、中科院化工冶金研究所和广州能源所、河北省环境科学院等单位近年来也进行了生物质流化床或循环流化床液化实验。山东工程学院开发了等离子体快速加热生物质液化技术，利用实验室设备液化玉米秸粉，制出了生物油，并进行了成分分析。
国外的生物质能工作者偏重于不同类型的快速热解反应器的开发，以期提高生物油的产率。因为反应器能极大地影响化学反应体系的热量、动量、质量传递过程，设计合理的反应器可改善物料和温度在反应体系中的分布，从而提高化学反应的速度和进行程度。从实践中看，国外研制的某些反应器具有非常高的生物油产率。国内工作者着眼于通过控制温度、使用催化剂、寻找适宜的物料来探索提高生物油产量和质量的途径。
在生物质快速热解生产液体燃料的工艺中，反应器都是其核心部分，反应器的类型及加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布。因此，反应器类型和加热方式的选择是各种技术路线的关键环节。作为一种只有30多年发展历史的新工艺，在技术、产品和应用方面还存在许多不足，至今未实现大规模工业化应用。目前，亟待解决的问题有：(1)鼓励开发、改进工艺和设备；(2)工业放大；(3)降低成本；(4)改善生物油使用性能；(5)开发有价值的生物油副产品；(6)处理输送和使用过程的环境卫生与安全。
4生物质自混合下行循环流化床快速热解技术
山东科技大学化工学院清洁能源研究中心提出生物质自混合下行循环流化床快速热解技术，正处于实验研究阶段，并有一套处理量为200～300 kg／h的示范装置在建设中。
农林废弃物被锤片式粉碎机粉碎成合适的生物质颗粒，经烟气提升管干燥和提升，生物质颗粒被旋分器气固分离进入上部料仓。经螺旋进料器在专有热解反应器顶端，与通过蝶阀控制下落的高温循环热载体迅速实现自混合、升温、热解。在反应器立管下部油气与半焦和热载体快速分离。热解油气经冷凝器获得液体产品和煤气。半焦和循环热载体通过热空气输送的返料阀进入烧焦提升管燃烧加热，加热后的热载体经旋分器
与烟气分离后进入专有热解反应器顶部，实现热载体循环供热，烟气预热空气后被引到烟气提升管底部，提升和干燥生物质颗粒。
生物质自混合下行循环流化床快速热解工艺流程见图l。
其技术优点：
(1)专有热解反应器为静态混合结构，无机械运动部件，可解决机械设备存在的高温时焦渣磨损设备、设备的运动部件容易出现故障以及难以工业化放大的难题。
(2)专有热解反应器利用重力、无需载气即可实现生物质颗粒和高温循环热载体的快速混合、快速升温和热解，提高液体收率和系统热效率。
(3)利用烟气余热干燥生物质颗粒，降低了生物油的水含量，提高了系统热效率。
(4)反应器立管下部油气与半焦和热载体通过专有快速分离装置，减少了高温热解油气的二次反应，提高了液体收率。
生物质自混合下行循环流化床快速热解新技术是根据我国农村农林废弃物集散难度较大的国情，利用先进技术研制开发的一种热效率高、投资低、操作方便的快速热解工艺。
该热解工艺为彻底实现农林作物资源的最大化利用、实现农业循环经济、提高农民收入、改善农村产业结构、改善农村缺能现状，解决剩余秸秆就地焚烧或随意堆弃造成大气污染、土壤矿化势加剧、火灾和交通事故等大量的社会经济和生态问题提供了技术支撑和指导方向，对农业和农村发展以及化石能源危机的缓解，都有重要的现实意义。
