介绍了生物质快速热解制取生物油的国内外研究进展，并对生物质热解过程、生物质快速热解反应器和快速热解的影响因素分别进行了阐述。生物油在未来的能源领域中有着广阔的前景，如何通过高效的热解方法和热解反应器来提高生物质能的利用率，仍是下一步研究的重点。
关键词：生物质能；快速热解；生物油
中图分类号：TK6 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）21-4001-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.21.001
Research Progress on Bio-oil Production From Fast Pyrolysis of Biomass
LIU Zhuang， LIAO Chuan-hua， LI Ya-li
（School of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 211816， China）
Abstract： An progresses on bio-oil production from fast pyrolysis of biomass was provided， the processes of fast pyrolysis， reactor and influence factors of fast pyrolysis were expounded. Bio-oil has a broad prospect in the future energy field. How to improve the utilization of biomass energy through efficient pyrolysis method and pyrolysis reactor is still the focus of the next step.
Key words： biomass resources； fast pyrolysis； bio-oil
随着化石能源的消耗殆尽及环境的日益恶化，能源问题有可能成为未来人类社会的潜在危机。寻找一种储量大、可再生的新能源成为目前解决能源问题的关键。生物质热解技术因其可将能量密度低的生物质能转变成高品位能源而备受关注。生物质热解可分为慢速热解、快速热解和热解气化3种类型，其中快速热解诞生于20世纪70年代，是一种新型的转化技术，其重要产物之一生物油既便于储存与运输，又能够作为能源、化学品与能源载体[1]。因此，通过快速热解制备生物油是当今研究的一大热点。
1 生物质能与生物质油
1.1 生物质能
生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物質中的能量。生物质能的利用方式按产物的形态分可大致分为3类：一是生物质直接燃烧获得热量；二是生物质发酵或气化得到沼气或合成气；三是生物质经液化、热化学转化得到生物油、燃料乙醇和生物柴油。生物质能以其储量大、可再生、污染小等优点备受世界各国高度关注。
1.2 生物质油
生物质快速热解制取的生物质油（Bio-oil）是纤维素、半纤维素和木质素的各种降解物所组成的一种混合物，其主要含有醛、酮、酸、酯、醇、呋喃、酚类有机物和水[2]。生物油的应用可大致分为以下3个方面：一是直接作为燃料，可用于燃油锅炉、涡轮机与发动机；二是通过精制改进等得到稳定的生物油、汽油与柴油等高品位燃料；三是通过提取转换得到化工原料，如胶粘剂、化肥、燃料强化剂原料、香料、精细化工原料等[3]。裂解生物油在许多方面可以替代化石燃料，实现能源的可持续利用和降低污染物的排放。
2 生物质快速热解原理
作为热化学技术的重要技术方向，生物质热解是指在热的作用下生物质中有机物质发生的分解反应。在高温下，构成生物质的大分子有机化合物化学键断开，裂解成为较小分子的挥发物质，从固体中释放出来。热解开始温度为200～250 ℃，随着温度的升高，更多的挥发物释放出来。而挥发物质也被进一步裂解，最后残留下由碳和灰分组成的固体产物。挥发物质中含有常温下不可凝结的简单气体，如H2、CO、CO2、CH4等，也含有常温下凝结为液体的物质，如水、酸、烃类化合物和含氧化合物等。因此，生物质热解同时得到固体、液体和气体3种形态的产物，3种产物的得率取决于热解温度、升温速率、气相停留时间和生物质特性等工艺参数[4]。
生物质组成成分主要包括纤维素、半纤维素、木质素、抽提物和灰分。其中，除了灰分外，其余4种组成物在加热过程中都可以发生热分解反应。
Antal等[5]发现在低温加热条件下，纤维素经过吸热反应转化为脱水纤维素。Broido等[6]通过试验发现当生物质温度高于280 ℃时，纤维素将发生热解反应，脱除挥发分，同时脱水后的纤维素也会发生热解，试验同时提出纤维素热解生成焦油与纤维素脱水并热解存在一个并列关系，低温下生成焦炭是主要反应。后来Broido等提出了Broido & Nelson反应模型（图1）。在之后的研究中，Bradury等[7]在低压、259～341 ℃环境下，对纤维素进行批量等温试验，发现在失重初始阶段有一加速过程，提出纤维素在热解反应初期有活化能从“非活化态”向“活化态”转变的反应过程，由此将Broido-Nelson模型改进为“Broido-Shafizadeh”模型（图2）。
Varhegyi等[8]对纤维素在热重分析仪上进行加盖与不加盖的试验研究，发现二者焦炭产率差异较大，说明焦炭不仅是由纤维素一次热解单独得到，具有挥发性的焦油二次热解也会生成焦炭。发生二次热解的条件应具备高的反应温度，长的气相停留时间。二次裂解过程中包含一系列复杂的化学键断裂、重组的过程。二次反应降低了反应物质的分子量，试验产物经检测为小分子气体。王树荣等[9]同样用氙灯加热纤维素获取了一种可溶于水的黄色中间体，通过分析将黄色中间体定性为活性纤维素，并对Broido-Shafizadeh模型进行了改进（图3）。