生物质制合成气和燃料的热化学法

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热化学法加工生物质已有很久的历史.古埃及人曾用木蒸馏技术得到焦油和焦木酸,用于防腐.后来很长一段时期中,木柴的热解用于生产木炭,它具有能量密度高、发烟少等特点,曾是理想的燃料,后来才被价格低廉的煤炭取代.直到20世纪初,木蒸馏技术还大量用于生产可溶性焦油、沥青和杂酚油等有机化工原料,只是在石油化工兴起之后才衰落了.

    由于化石燃料的枯竭和生态平衡的要求,近年来国际上又重新重视用热化学方法把生物质转化为高质量燃料,各方面的研究发展十分迅速.与生物技术比较.它有高效率低成本和易于大规模生产的优点.过去的木蒸馏技术主要生产木炭,是在750~1350K的温度下进行的.现在的生物质热化学转化法始于1927年,包含三步:第一,于燥以去除水分;第二,在无氧化剂存在的情况下加热到300一500℃,使生物质热解成碳氢化合物富集的气态混合物,油状液体和焦炭;第,这些产物再与适量的氧化剂(氧气,空气或水蒸气)反应,在一定压力下,转化成主要由CO和H2组成的气体.去除杂质(主要是甲烷等碳氢化合物,焦油和颗粒状物质)后,分离它们就得两种气体燃料.然后由下述两种方法作进一步处理.

    一是合成法,即调解(一般是加氢)这两种气体的比例,使其最适合合成特定物质〔例如合成甲醇需要CO:H2=1:2),再通过催化合成就得液体燃料(甲醇、乙醇、醚,甚重油〕以甲醇为例,每吨木材用此法可产出100加仑甲醇,成本预计可达$0.50,加仑($0.13/L),大大低于目前的市场价 1.30一1.80加仑($0.34~0.48/L).因此它不仅满足可持续发展的要求,还有极大的商业利润,很可能被广泛使用.

    二是燃料电池法,即通过电化学的方式直接把这些气体的化学能转化为电能.近几年来,中国科技大学固体化学与无机膜研究所研制出了高性能的中温下操作的新型陶瓷膜燃料电池(简称为IT-CMFC),它可以直接把生物质气化产物〔氢、CO和CH4等)的化学能转化为电能,转化率可高达60 %.它不仅可以开发成固定及分散式电站,还可以开发成用于车辆的移动电力源.

    此外,生物质的转化还有快速热解和催化裂化法,即严格控制加热速率和反应温度,使生物质在催化剂作用下(也可不用催化剂)裂解成小分子化合物,它们再聚合成油类化合物,冷凝后即为生物质原油(biocrude),可直接用它作燃油,也可以进一步精炼出更好的液体燃料或化工产品.

    热化学转化过程可分为气化、热解和直接液化.后两个过程有时易混淆,这里可以做一个简单的对比.两者均为把原材料转化为液体产品的热化学过程.对液化而言,原材料大分子在合适催化剂的作用下分解成小分子化合物.同时由于这些小分子是不稳定和具有反应活性的,它们可重聚合成具有合适分子量的油类化合物.而热解时,通常不需要催化剂,轻分解的组分可以通过气相中的均匀反应转化成油类化合物.