生物质能的优点和缺点是什么

生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。所有生物质都有一定的能量,而作为能源利用的主要是农林业的副产品及其加工残余物,也包括人畜分粪便和有机废弃物.生物质能为人类提供了基本燃料。

生物能具备下列优点

(1)、提供低硫燃料，

(2)、提供廉价能源(于某些条件下)，

(3)、将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)，

(4)、与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。　

至于其缺点有

(1)、植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物，

(2)、单位土地面的有机物能量偏低，

(3)、缺乏适合栽种植物的土地，

(4)、有机物的水分偏多(50%～95%)

生物能具备下列优点:

(1)提供低硫燃料，

(2)提供廉价能源(于某些条件下)，

(3)将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)，

(4)与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。

至于其缺点有:

(1)植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物，

(2)单位土地面的有机物能量偏低，

(3)缺乏适合栽种植物的土地，

(4)有机物的水分偏多(50%～95%)

煤的优缺点

1 优点

1.1煤炭地下气化技术具有较好的环境效益

煤炭地下气化燃烧后的灰渣留在地下，采用充填技术，大大减少了地表下沉，无固体物质排放，因此煤炭地下气化减少了废物和粉煤灰堆放面积及对地面环境的破坏，这是其他洁净煤技术无法比拟的。地下气化煤气可以集中净化，脱除焦油、硫和粉尘等其他有害物质，可以消除SOx和NOx污染，汞、颗粒物和含硫物质等其他污染物也大大减少。

UCG与传统采煤加地面燃烧相比，可减少二氧化碳排放，并有利于进行碳捕捉和储存。CO经地面变换后，采用分离技术将CO2分离出来储存或作其他用途，从而得到洁净煤气，因此，地下气化技术有利于解决大气污染问题。

地下气化煤气中H2含量在40%以上，分离后得到各种纯度的H2。H2是当今人类最理想的洁净能源，H2可储、可输性好，不仅是高能燃料，又可作为中间载能体使用，它转变灵活、使用方便、清洁卫生，在自然界中形成水-氢-水自然循环，所以氢能是一种可再生能源，符合人类可持续发展的需要。

1.2煤炭地下气化技术提高了煤炭资源的利用率

煤炭地下气化技术可大大提高资源回收率。在抽采煤层气之前进行地下煤气化可回收煤炭热值75%以上，在抽采煤层气之后进行地下煤气化也可回收煤炭热值的70%。此外，还使传统工艺难以开采埋藏太深的煤、边角煤、“三下”（河下、桥下、建筑物下）压煤、己经或即将报废矿井遗留的保护性煤柱和按国家环保规定不准开采的高硫高灰劣质煤得到开采。

煤炭是我国国民经济发展的基础产业，但受传统井工开采技术水平的限制，随着开采强度的逐渐增大，大量的矿井报废或行将报废。据统计1953～1989年有报废矿井297处，1990年～2020年还有244处将报废，遗弃资源储量到目前为止已有300亿吨以上，一般为井工开采（由工人下入井内进行资源开采，与露天开采相对应，井工可采煤炭量仅占煤炭资源储量的11.43%）遗留的煤柱、薄煤层、劣质煤层、高瓦斯煤层等。煤炭地下气化技术的发展应用，为这些资源的有效动用提供了途径。利用煤炭地下气化技术，可使我国遗弃煤炭资源50%左右得到利用。煤炭地下气化技术还可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层、浅海海底煤层。因此，地下气化可大大提高了煤炭资源的利用率。

1.3安全性好

煤炭地下气化技术由于实现了井下无人无设备生产煤气，因此具有较好的安全性，可避免传统采煤的煤矿塌陷、透水、瓦斯突出等事故。

1.4投资少、经济效益好

与矿井和矿场建设相比，建设地下煤气化站的投资低2.5倍。与地面气化相比投资显著降低。

1.5劳动生产率高

劳动生产率与露天采煤同样高，为矿井采煤的4倍，产品成本与露天采煤相当，比矿井挖煤大幅下降。

1.6省去了煤的运输和装卸

由此没有运输过程中的燃料损失和煤尘等污染物排放，并减少相应的费用。

2 存在的不足

地下煤气化广泛工业化推广之路仍然有很多需要大量研发投入来克服的挑战。尽管地下煤气化有很多优点，但技术仍不完善，有多种局限：

①有可能导致重大的环境影响：地下蓄水层污染和地表塌陷。根据目前的知识可以建造一种结构，避免或降低这一风险。

②对很多煤资源来说地下煤气化可能技术上是可行的，但是适合地下煤气化的矿藏可能有多得多的限制，因为一些矿藏可能有增加环境风险至不可接受水平的地址和水文特点。

③对地下煤气化的控制不能达到像地面煤气化的程度。很多的过程变量，诸如水注入速度、气化区中反应物分布、孔穴增长速度，只能通过测量温度和产品气的质量和数量进行估计。

④经济性有很大的不确定性，直至有适当数量的基于地下煤气化的电厂被建设和运行。

⑤地下煤气化本质上是一个非稳态过程，因此产品气的流速和热值会随时间变化，产品气成分不稳定。

可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。

风能。风能是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。我国北方地区和东南沿海地区一些岛屿，风能资源丰富。据国家气象部门有关资料显示，我国陆地可开发利用的风能资源为2.53亿千瓦，主要分布在东南沿海及岛屿、新疆、甘肃、内蒙古和东北地区。此外，我国海上风能资源也很丰富，初步估计是陆地风能资源的3倍左右，可开发利用的资源总量为7.5亿千瓦。

太阳能。太阳能是指太阳所负载的能量，它的计量一般以阳光照射到地面的辐射总量，包括太阳的直接辐射和天空散射辐射的总和。太阳能的利用方式主要有：光伏（太阳能电池）发电系统，将太阳能直接转换为电能；太阳能聚热系统，利用太阳的热能产生电能；被动式太阳房；太阳能热水系统；太阳能取暖和制冷。

小水电。水的流动可产生能量，通过捕获水流动的能量发电，称为水电。小水电在我国是指总装机容量小于或等于5万千瓦的水电站。

生物质能。生物质能包括自然界可用作能源用途的各种植物、人畜排泄物以及城乡有机废物转化成的能源，如薪柴、沼气、生物柴油、燃料乙醇、林业加工废弃物、农作物秸秆、城市有机垃圾、工农业有机废水和其他野生植物等。

地热能。地热能是贮存在地下岩石和流体中的热能，它可以用来发电，也可以为建筑物供热和制冷。根据测算，全球潜在地热资源总量相当于每年493亿吨标准煤。

海洋能。海洋能是潮汐能、波浪能、温差能、盐差能和海流能的统称，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、海流等形式存在于海洋之中。例如，潮汐的形式源于月亮和太阳对地球的吸引力，涨潮和落潮之间所负载的能量称之为潮汐能；潮汐和风又形成了海洋波浪，从而产生波浪能；太阳照射在海洋的表面，使海洋的上部和底部形成温差，从而形成温差能。所有这些形式的海洋能都可以用来发电。

从地球蕴藏的能源数量来看，自然界存在有无限的能源资源。仅就太阳能而言，太阳每秒钟通过电磁波传至地球的能量达到相当于500多吨煤燃烧放出的热量。这相当于一年中仅太阳能就有130万亿吨煤的热量，大约为全世界目前一年耗能的一万多倍。不过，由于人类开发与利用地球能源尚受到社会生产力，科学技术、地理原因及世界经济、政治等多方面因素的影响与制约。包括太阳能、风能、水能在内的巨大数量的能源，可以利用的仅占微乎其微的比例，因而，继续发展的潜力巨大。人类能源消费的剧增、化石燃料的匮乏至枯竭以及生态环境的日趋恶化，逼使人们不得不思考人类社会的能源问题。国民经济的可持续发展，依仗能源的可持续供给，这就必须研究开发新能源和可再生能源。

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每年投射到地面上的辐射能高达1.05×1018千瓦时（3.78× 1024J），相当于1.3×106亿吨标准煤。按目前太阳的质量消耗速率计，可维持6×1010年。所以可以说它是“取之不尽，用之不竭”的能源。但如何合理利用太阳能，降低开发和转化的成本，是新能源开发中面临的重要问题。

风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、制冷和致热等。风力发电是主要的开发利用方式。中国的风能总储量估计为1.6×109千瓦，列世界第三位，有广阔的开发前景。风能是一种自然能源，由于风的方向及大小都变幻不定，因此其经济性和实用性由风车的安装地点、方向、风速等多种因素综合决定。

对于核电站，人们有许多误解，其实核能发电是一种清洁、高效的能源获取方式。对于核裂变，核燃料是铀、钚等元素，核聚变的燃料则是氘、氚等物质。有些物质，例如钍，本身并非核燃料，但经过核反应可以转化为核燃料。我们把核燃料和可以转化为核燃料的物质总称为核资源。

近年来，许多发展中国家虽然都制订了一系列鼓励民企投资小水电的政策。由于小水电站投资小、风险低、效益稳、运营成本比较低，在国家各种优惠政策的鼓励下，全国掀起了一股投资建设小水电站的热潮，尤其是近年来，由于全国性缺电严重，民企投资小水电如雨后春笋，悄然兴起。国家鼓励合理开发和利用小水电资源的总方针是确定的，2003年开始，特大水电投资项目也开始向民资开放。2005年，根据国务院和水利部的“十一五”计划和2015年发展规划，中国将对民资投资小水电以及小水电发展给予更多优惠政策。

氢是一种二次能源，一种理想的新的含能体能源，在人类生存的地球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然氢的存在极少。因此必需将含氢物质加工后方能得到氢气。最丰富的含氢物质是水，其次就是各种矿物燃料（煤、石油、天然气）及各种生物质等。氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等；化工中制氨、制甲醇也需要氢。氢还用来还原铁矿石。用氢制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电，其能量转换效率将远高于现有的火电厂。随着制氢技术的进步和贮氢手段的完善，氢能将在21世纪的能源舞台上大展风采。

地热是指来自地下的热能资源。我们生活的地球是一个巨大的地热库，仅地下10千米厚的一层，储热量就达1.05×1026焦耳，相当于9.95×1015 标准煤所释放的热量。地热能在世界很多地区应用相当广泛。老的技术现在依然富有生命力，新技术业已成熟，并且在不断地完善。在能源的开发和技术转让方面，未来的发展潜力相当大。地热能是天生就储存在地下的，不受天气状况的影响，既可作为基本负荷能使用，也可根据需要提供使用。

海洋能通常指蕴藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能等。海洋能蕴藏丰富，分布广，清洁无污染，但能量密度低，地域性强，因而开发困难并有一定的局限。开发利用的方式主要是发电，其中潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化。波浪能发电利用的是海面波浪上下运动的动能。1910年，法国的普莱西克发明了利用海水波浪的垂直运动压缩空气，推动风力发动机组发电的装置，把1千瓦的电力送到岸上，开创了人类把海洋能转变为电能的先河。目前已开发出60-450千瓦的多种类型波浪发动装置。

此外，还有生物质能，是指植物叶绿素将太阳能转化为化学能贮存在生物质内部的能量，目前发展中的开发利用技术主要是，通过热化学转换技术将固体生物质转换成可燃气体、焦油等，通过生物化学转换技术将生物质在微生物的发酵作用下转换成沼气、酒精等，通过压块细蜜成型技术将生物质压缩成高密度固体燃料等。

能源是现代社会赖以生存和发展的基础，清洁燃料的供给能力密切关系着国民经济的可持续性发展，是国家战略安全保障的基础之一。中国是能源消耗大国， 2000年一次能源消费量为7.5亿吨油当量，仅次于美国成为世界第二人能源消费国，到本世纪中叶中国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到30多亿吨油当量。然而目前中国人均一次能源的消费量不到美国的1／18，仅为世界平均水平的1／3。与世界一次能源构成不同的是中国以煤为主，煤占一次能源的比例为63.6%，由于煤的高效、洁净利用难度大，使用过程中已对人类的生存环境带来严重的污染。另一方面中国人均能源资源严重不足，人均石油储量不到世界平均水平的1／10，人均煤炭储量仅为世界平均值的1／2。预计到2010年，中国石油供需缺口1亿吨，天然气缺口400亿立方米。因此，开发洁净可再生能源已成为紧迫的课题。

清洁能源是不排放污染物的能源，它包括核能和"可再生能源"。可再生能源是指原材料可以再生的能源，如水力发电、风力发电、太阳能、生物能(沼气)、海潮能这些能源。可再生能源不存在能源耗竭的可能，因此日益受到许多国家的重视，尤其是能源短缺的国家。

生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。

生物质能是可再生能源，通常包括以下几个方面：

一是木材及森林工业废弃物；

二是农业废弃物；

三是水生植物；

四是油料植物；

五是城市和工业有机废弃物；

六是动物粪便。

在世界能耗中，生物质能约占14％，在不发达地区占60％以上。全世界约25亿人的生活能源的90％以上是生物质能。

生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点是热值及热效率低，体积大而不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅为10％一30％。

目前世界各国正逐步采用如下方法利用生物质能：

1．热化学转换法，获得木炭、焦油和可燃气体等品位高的能源产品，该方法又按其热加工的方法不同，分为高温干馏、热解、生物质液化等方法；

2．生物化学转换法，主要指生物质在微生物的发酵作用下，生成沼气、酒精等能源产品；

3．利用油料植物所产生的生物油；

4．把生物质压制成成型状燃料(如块型、棒型燃料)，以便集中利用和提高热效率。

到2015年，从而减少对矿物能源的依赖，主要通过生物质能发电和生物质液体燃料的产业化发展实现，保障国家能源安全、无污染的生物质能利用技术，保持国家经济可持续发展的目的，都在致力于开发高效，更加剧了上述环境和全球气候恶化，打破了自然界的能量和碳平衡。目前、过早地消耗了这些有限的资源，实现CO2减排，世界各国，以达到保护矿产资源，石油和天然气等燃料。这些未加以利用的生物质，全球总能耗将有40％来自生物质能源，为完成自然界的碳循环。另一方面，其能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍，生产电力，减轻能源消费给环境造成的污染，生物质能源将成为未来持续能源重要部分，过快，替代煤炭，生产各种清洁燃料，回到自然界中，由于过度消费化石燃料，而作为能源的利用量还不到其总量的l％。

通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源。专家认为，其绝大部分由自然腐解将能量和碳素释放，尤其是发达国家生物质能属于清洁能源。

生物质是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，每年经光合作用产生的生物质约1700亿吨，释放大量的多余能量和碳素，保护国家能源资源，林业生物质能源属于绿色能源。可再生能源是指原材料可以再生的能源。绿色能源也称清洁能源、海潮能等，指不排放污染物的能源、太阳能，它主要包括核能和可再生能源，如水力能源、风力能源林业生物质能源属于绿色能源。

常见的生物质发电技术有直燃发电、沼气发电、甲醇发电、生物质燃气发电技术等。目前，国内研究较多的是生物质直燃发电和生物质气化发电技术，对生物质混燃发电技术的应用研究有限。基于我国小火电数量多而污染重的特点，以及农村生物质本身来源广且数量大的特殊国情，本文先从技术和政策角度对生物质混燃发电技术进行讨论，然后分析生物质混燃发电的经济效益、环保效益和社会效益，后者更为重要。

1.1生物质直燃发电现状

生物质发电主要是利用农业、林业废弃物为原料，也可以将城市垃圾作为原料，采取直接燃烧的发电方式。如英国ELY秸秆直燃电站是目前世界上较大的秸秆直燃电厂，装机容量为3.8万kW，年耗秸秆约20万t。古巴政府与联合国发展组织等机构合作，预计投资1亿美元兴建以甘蔗渣为原料的环保电厂。我国直燃发电方面在南方地区有一定的规模。两广省份共有小型发电机组300余台，总装机容量800MW。生物质直接燃烧发电技术已比较成熟，由于生物质能源需要在大规模利用下才具有明显的经济效益，因而要求生物质资源集中、数量巨大、具有生产经济性。

1.2生物质气化发电现状

生物质气化发电是指生物质经热化学转化在气化炉中气化生成可燃气体，经过净化后驱动内燃机或小型燃气轮机发电。小型气化发电采用气化-内燃机(或燃气轮机)发电工艺，大规模的气化-燃气轮机联合循环发电系统作为先进的生物质气化发电技术，能耗比常规系统低，总体效率高于40％，但关键技术仍未成熟，尚处在示范和研究阶段。在气化发电技术方面，广州能源研究所在江苏镇江市丹徒经济技术开发区进行了4MW级生物质气化燃气-蒸汽整体联合循环发电示范项目的设计研究，并取得了一定成果。

1.3生物质混燃发电现状

生物质混燃发电技术在挪威、瑞典、芬兰和美国已得到应用。早在2003年美国生物质发电装机容量约达970万kW，占可再生能源发电装机容量的10%，发电量约占全国总发电量的1%。其中生物质混燃发电在美国生物质发电中的比重较大，混烧生物质燃料的份额大多占到3%～12%，预计还有更多的发电厂将可能采用此项技术。英国Fiddlersferry电厂的4台500MW机组，直接混燃压制的废木颗粒燃料、橄榄核等生物质，混燃比例为锅炉总输入热量的20%，每天消耗生物质约1500t，可使SO2排量下降10%，CO2排放量每年减少100万t。在我国生物质混燃发电技术应用不多，与发达国家相比还相距较远。但是该项技术可以减少CO2的净排放量，符合低碳经济的发展要求、符合削减温室气体的需要，具有很大的发展潜力。

在我国农村，农户土地分散导致秸秆收集难度较大，收集运输成本限制着秸秆的收集半径，加上秸秆种类复杂，若建立纯燃烧秸秆的电厂，难以保证原料的经济供应。掺烧生物质不失为一种更现实的解决方案，即把部分生物质和煤混燃，减少一部分耗煤。与生物质直燃发电相比，生物质混燃发电具有投资小、建设周期短、对原料价格易于控制等优势。从技术上看，混烧比纯烧具有更多的优越性：可以用秸秆等生物质替代一部分煤来发电，不必新建单位投资大、发电效率低的纯“秸秆”电厂。何张陈将混燃案例与气化案例作了比较，发现气化案例的发电成本要比混燃案例高，而且对生物质价格变化更敏感。兴化中科估计的单位装机容量投资约为丰县鑫源投资的11.3倍，约为宝应协鑫的1.4倍。混燃还可以提高秸秆等生物质的利用效率、缓解腐蚀问题、减少污染、简化基础设施。

2生物质混燃发电技术解析

由于我国小火电厂数量多并且污染大，与其废弃关闭，不如因地制宜的对一些小型燃煤电厂设备略加改造，利用生物质能发电。典型的生物质能发电厂设备规模小，装机容量<30MW；但是利用生物质混燃发电既可发挥现有煤粉燃烧发电的高效率，实现生物质的大量高效利用，而且对现役小型火电厂改造无需大量资金投资，凸显出生物质混燃发电的优越性，特别是生物质气化混烧发电通用性较强，对原有电站的影响比直接混烧发电对原有电站的影响小些。生物质锅炉按燃烧方式有层燃炉、流化床锅炉、悬浮燃烧锅炉等方案可供选择，对现役火电厂实施混燃技术改造，锅炉本体结构不需大的变化（主要改造锅炉燃烧设备）。改造主要涉及在已有燃料系统中进行生物质掺混，有以下3方式。

（1）在给煤机上游与煤混合，再一起制粉后喷入炉膛燃烧。

（2）采用专门的破碎装置进行生物质的切割或粉碎，然后在燃烧器上游混入煤粉气流中，或通过专设的生物质燃烧器喷入炉膛燃烧。

（3）将生物质在生物质气化炉中气化，产生的燃气直接通到锅炉中与煤混合燃烧。本文主要以第2种和第3种为研究对象。

技术上，生物质和煤混燃关键是生物质燃料的选择和积灰问题。燃料的选择可以通过管理手段并辅以掺混设备加以解决。下面主要讨论积灰问题。

生物质和煤混燃的可行性，在一定程度上受积灰的影响很大。不同燃料的积灰特性与多种因素相关，如灰的含量、飞灰的粒径分布、灰的组成和灰的流动性。积灰是必须考虑的重要因素，因为积灰对锅炉运行、锅炉效率、换热器表面的腐蚀和灰的最终利用都有重要影响。与煤相比，生物质（如秸秆）和煤混燃时，两种原料之间的相互作用会改变积灰的组成、降低颗粒的收集效率和灰的沉降速率。生物质灰中碱性成分（特别是碱金属K）含量也比较高，且主要以活性成分存在，从火焰中易挥发出来凝结在受热面上形成结渣和积灰，实际商业应用中生物质掺混比*高为15%，当掺比较小时，一般不会发生受热面灰污问题。国际和国内的经验均表明，生物质混燃发电在技术上没有大的障碍，技术上是完全可行的。

解决方法思路是从生物质利用的源 头入手，通过政策、企业、农民三方面对每条环节进行分析，找出症 头入手，通过政策、企业、农民三方面对每条环节进行分析，找出方法。

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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一氧化碳分子是不饱和的亚稳态分子，在化学上就分解而言是稳定的。常温下，一氧化碳不与酸、碱等反应，但与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高温能引起燃烧、爆炸，属于易燃、易爆气体。因一氧化碳分子中碳元素的化合价是+2，能被氧化成+4价，具有还原性；且能被还原为低价态，具有氧化性。在一定条件下，一氧化碳和水蒸气等摩尔反应生成氢气和二氧化碳：CO + H2O → H2+ CO2。在工业装置中，早期的一氧化碳变换反应通常分两段进行，即高（中）温变换和低温变换。高（中）温变换用铁系作催化剂，典型水蒸汽和一氧化碳比为3左右，在温度为300～500℃、空速为2000～4000 h-1的条件下，高温变换炉出口一氧化碳含量为2%～5%；低温变换用高活性铜锌催化剂，在温度为180～280℃、空速为2000～4000 h-1的条件下，低温变换炉出口一氧化碳含量为0.2%～0.5%、二氧化碳（carbon dioxide），一种碳氧化合物，化学式为CO2，化学式量为44.0095、常温常压下是一种无色无味[2]或无色无嗅而其水溶液略有酸味的气体，也是一种常见的温室气体、还是空气的组分之一（占大气总体积的0.03%-0.04%[5]）。在物理性质方面，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，密度比空气密度大（标准条件下），溶于水。在化学性质方面，二氧化碳的化学性质不活泼，热稳定性很高（2000℃时仅有1.8%分解），不能燃烧，通常也不支持燃烧，属于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，因与水反应生成的是碳酸，所以是碳酸的酸酐。

二氧化碳一般可由高温煅烧石灰石或由石灰石和稀盐酸反应制得，主要应用于冷藏易腐败的食品（固态）、作致冷剂（液态）、制造碳化软饮料（气态）和作均相反应的溶剂（超临界状态）等。