华中科技大学 硕士学位论文 流化床热解液化及生物油品质的分析研究 姓名：罗凯 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：陈汉平 20070608 I 摘 要 生物质是唯一可以液化的清洁的可再生能源，利用生物质快速热解制取的生物油 便于运输和储存。作为液态燃料的生物油在替代化石燃料方面具有相当广阔的前景。 但是，生物油的高粘度、高含水量、强酸性、低热值和热不稳定等性质严重影响了生 物油的品质，阻碍了生物油作为燃料的应用。因此，为提高生物油的品质, 增强生物 油燃料的应用性, 本文在自行设计建造的流化床热解液化系统上完成制取生物油的实 验，一方面探求生物质原料和热解反应条件在热解过程中对生物物油产率和品质的影 响规律，另一方面利用微波对生物质进行干燥，通过研究微波干燥对生物质原料以及 对热解产物的影响规律，揭示微波干燥预处理对生物质热解过程的影响机理。本文研 究的目的是实现生物质热解液化的控制转化，优化反应参数，揭示微波干燥的预处理 工艺对生物质热解液化的积极意义。 首先，对世界能源背景、生物质能及生物质热解液化技术进行了简单介绍，强调 了液化产物生物油的特性及其应用难点，引出本文研究的目的和主要内容。 其次，介绍了国内外流化床热解液化系统，描述了本文流化床热解液化系统的结 构和工艺流程，选择了合适的试验参数，概括了试验操作方法和步骤。 然后，通过试验研究了生物质原料种类、粒径和热解温度、气相停留时间对生物 油产率和品质的影响规律。试验研究表明：原料的种类、热解温度和气相停留时间是 影响生物油产率和品质最重要的参数：、原料中纤维素、木质素和灰分的含量是主 要影响因素。松木屑最适合生产高产率高品质的生物油。、基于松木屑油的研究发 现，450550是生产高产率高品质松木屑油的最佳温度范围。、热解蒸气的停留 时间决定二次反应的发生几率，从而影响生物油的产率和品质。 最后， 试验研究微波干燥对生物质原料以及对生物质热解机制的影响。 研究发现： 微波干燥能迅速降低生物质原料的含水率，功率越大，干燥速率越快；微波干燥能扩 大生物质的孔隙结构，有效增大原料的比表面积；微波干燥更有利于挥发分在热解过 程中迅速析出，提高热解速率；微波干燥明显抑制了热解产物的二次反应，提高了生 物油和焦炭的产率，减少了不凝气体的产率，同时减少了热解过程中水分的生成，提 高了生物油的品质。 关键词：生物油；热解；品质；影响因素；微波干燥 II Abstract Biomass is the only clean renewable energy resource that can be liquefied. Bio- oil made from fast pyrolysis of biomass is convenient for being stored and transported with potential to be used as a fossil oil substitute. However, higher viscosity, higher moisture, higher acidity, lower heating value and heat instability are unbeneficial properties of bio- oil to be used as liquid fuel. Thus in this paper, experimental studies were carried out in a bench- scaled fluidized bed reactor. On the one hand, the influences of the parameters such as raw material characteristics and pyrolysis conditions on the yield and quality of bio- oil were studied, on the other hand, the influences of microwave drying on biomass and its pyrolysis products were investigated. The purpose of these studies was to optimize reaction parameters for improving the bio- oil quality and enlarging the application of bio- oil as liquid fuel. At first, the background of energy all over the world, the bio- energy and the fast pyrolysis technique were introduced. As liquid product, the properties of bio- oil and the difficulties on its application were emphasized. Secondly, the system of the bench- scaled fluidized bed and the choices of trial parameters were described, followed by the description of the experimental process. Thirdly, experimental studies on the influences of raw material and the pyrolysis conditions on the yield and quality of bio- oil were performed, which indicated that the raw material sorts, reaction temperature and vapor residence time were key factors. At the same time, the content of cellulose and lignin as well as the ash in biomass were critical parameters, and the pine was most suitable raw material for bio- oil. For getting high quality pine- oil, the favourable reaction temperature was between 450 and 550. The residence time affected the secondary reaction of the vapor, which was important for the yield and the water content of bio- oil. Finally, compared with heated air drying, the influence of microwave drying on raw material characteristics and the mechanism of biomass fast pyrolysis were studied. It was found that microwave drying rate was far faster, moreover, greater the microwave power III level was, faster the dehydration rate was. The biomass dried by microwave had greater surface area and more inner paths, which was benefited for the release of volatiles, meanwhile the secondary reaction of pyrolysis products was suppressed because of the shorter contacting time between vapors and char. As a result, the yields of bio- oil and char increased while the yield of gas decreased. The bio- oil from biomass dried by microwave has lower water content and higher heating value, which was good for used as fuel. Keywords: bio- oil; pyrolysis; quality; influence factor; microwave drying 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 1 1 绪 论 1.1 世界能源利用背景 能源是人类赖以生存的根本，也是推动人类社会发展的重要物质基础。随着现代 工业的迅猛发展， 人类在创造工业文明的同时， 也在迅速的消耗掉地球上有限的资源， 同时，粗放的能源开采与利用对地球环境造成的负面影响也愈显严重。 二十一世纪， 煤、石油和天然气等化石能源仍然是世界能源结构的主要组成部分。 但是，化石能源存在两个致命的缺点，其一，储量有限，分布不均，不可再生。随着 世界经济的发展，不断增长的能源需求终究会导致地球上化石燃料的枯竭。其二，化 石能源的大量使用，不可避免的带来严重的环境污染，主要有大气污染、酸雨和温室 效应等。面对严峻的能源和环境形势，在世界范围内发展清洁的、可再生的新能源已 迫在眉睫。太阳能、风能、生物能、潮汐能、地热能等具有资源丰富、清洁可再生的 优点，近年来受到国际社会的广泛关注。其中，生物质能因其二氧化碳“零排放”、 可利用量大、可再生、利用方式多元化等特点而倍受青睐，并在当今社会能源领域逐 渐开始发挥重要作用。 1.2 生物质能简介 1.2.1 生物质能及其优点 生物质能是蕴藏在生物质中的能量，它以生物质为载体，直接或间接来源于植物 的光合作用，是太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量1。生物质由 C、H、 O、N、S 等元素组成，纤维素、半纤维素、木质素和少量的萃取物与灰分是构成生物 质的主要组分2。纤维素、半纤维素和木质素都是高分子化合物