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原文  jinyong1.doc
刊名 中国工程院第三次院士大会学术报告汇编
出版时间 1997年7月
标题 生物质快速裂解过程 ------农村可持续发展能源的开发
著者 金 涌
正文 有关部门预测，到2010年我国农村能源年需求将达到13亿吨标煤，比目前的6.48亿
吨翻一番。目前我国能源结构中85%以上为煤炭、石油、天然气等不可再生的化石燃料，
它们必将有面临枯竭的危险,也对环境造成很大的污染。可再生能源对解决我国农村能源
匮乏，推进农村现代化建设、施行清洁能源战略和加强环境保护具有重大的战略意义。
随着生活水平的不断提高，一方面,农村使用高品位能源的农户以每年30％的速度增加。
另一方面，农村大量的生物质能源则在大量地浪费并污染环境。生物质能源是一种高效
、廉价的太阳能浓缩储存方式，利用当今世界高科技的基础研究可使其转化为潜力巨大
的高品质的可再生能源。一、生物质能源的地位能源是现代社会赖以生存与发展的基础
。由于现今人类对于化石能源的严重依赖，不仅对人类赖以生存的基础条件--环境带来
了严重的污染，并且由于这种不可再生的资源的匮乏对现今社会带来了潜在的危机。以
生物通过光合作用而生产的生物质能源一直在人类能源利用中占有十分重要的地位，只
是近代工业革命才使其在世界能源消耗中的份额下降。即使如此，生物质能源在世界能
源消耗中仅次于石油、煤炭及天然气等不可再生能源而居第四位占14%。1994年全世界生
物质能源消耗量为13亿吨，相当于中东地区的石油产量，在许多发展中国家中占第一位
。但仅占世界可利用生物质能源的4%。我国是农业大国，每年至少有5亿吨的农作物废弃
物，至今这些生物质能源仍占我国农村能源消费的第一位，即41.3%，合2.68亿吨标准煤
。全世界每年生物质的产量约300亿吨，与石油及煤等非再生能源相比生物质能源是一种
可再生的清洁能源，具有低灰份、低硫的特点。生物质可分为以下几类：* 木质素：木
材、树皮、锯末等* 农林废弃物：秸秆、果壳玉米心、蔗渣等* 水生植物：藻类、水葫
芦等* 油料作物：棉粕、麻粕、桐粕等生物质能源是未来可持续发展能源系统的重要组
成部分。FAO组织1993年预测， 到2050年以生物质能源为主的可再生能源将提供全世界
60%的电力和40%的燃料。其价格低于化石燃料。目前生物质能源是以一种十分低效的"穷
人燃料"形式进行利用的，传统生物质能源开发的技术,一类是以生物发酵为基础,由于生
物发酵反应速度很慢,规模生产困难较大,另一类是以热裂解为基础,近几年有关热裂解为
基础的生物燃料的高品位转化有了突破性的进展，如欧盟与美国、加拿大等国联合开发
的生物质高温裂解液化技术及生物质气化技术等。加拿大西安大略大学开发的生物质直
接超短接触液化技术被称为加拿大对现代工业技术最大的贡献。这一技术将生物质直接
裂解，得到占原料重量70-80%的液体产品及少量的气体及固体产品，是将生物质能源转
变高品位现代能源的重要技术突破。生物质的不合理使用也对环境带来不利的影响。我
国生物质利用以分散的直接燃烧为主，平均热效率不到25%，造成很大的资源浪费，也与
现代生活方式不适应。我国大约有5亿吨秸秆资源，大量剩余秸秆的任意堆积焚烧，既浪
费了资源又污染了环境。如采用高效的直接液化转化技术，可以提供约3亿吨标煤的能源
。它是太阳能的一种高效、廉价形式的浓缩，是实现经济利用可再生资源的有效途径。
二、生物质直接液化技术传统生物质(即木质素、纤维素等)的裂化技术一般产生大致相
同量的气体、焦炭及焦油。八十年代以来，生物质的快速裂解技术有了很大的发展，在
较苛刻条件下快速裂解可使燃气、焦炭的产率大幅度下降，同时使所生成的液体产物中
含有大量不饱和的烃类含氧衍生物。这其中最引人瞩目的是在超高速升温条件下的生物
质直接高温快速裂解技术。国际能源署（IEA）组织了加拿大、芬兰、意大利、瑞典、英
国及美国的十余个研究小组包括Batelle、MIT等国际著名大学及实验室进行了十余年工
作，重点对这一过程发展的潜力、技术经济可行性及参加国间的技术交流进行了协调，
所发表的报告中得出了十分乐观的结论。到1995年初，加拿大、意大利及芬兰等国已有
20余套工业示范装置在运行中。这一技术的关键是生物质的升温速度高达103-104 ℃/S
及相应的超短接触时间反应、快速反应终止技术等可控的裂解条件。以一种特殊的流化
床反应器可实现生物质在0.1-0.5秒超短接触时间及500-650℃下断裂生物质中的大分子
键，将分子量为几十万到数百万的生物质直接裂解为分子量从几十到一千左右的小分子
液体产物，其液态产物收率可高达70-80%，仅有少量的气体，产物中有少量甚至不含焦
炭。裂解所得液态产物为黑色，其热值达22 MJ/kg，是标准轻油热值的一半。产物的组
成中99.7%以上为碳、氢、氧，含有数百种的多环化合物，基本不含硫及灰份等对环境有
污染的物质。所得液态产物的粘度较小，在40℃下为40cp，具有很好的流动性，在不与
空气接触的条件下可稳定地存放数星期。液态产物中含氧量可达20-30%，可溶于水、丙
酮等极性溶剂，但不溶于矿物油。这种液态产品含有多元酚、醇及有机酸等多种通过常
规石油化工合成路线不易合成的物质，具有广阔的化工利用前景。关于它的深度加工的
研究目前进行得较少。最简单的方法是直接作为燃料及内燃机燃料使用。国外为此正在
进一步开发这种液态产物的深度加工技术，如加氢、催化加工等以使其热值达到普通轻
油的水平，并有更好的稳定性，与当今石油化工产品的应用接轨。推广由生物质转化为
液态产物的应用具有很多优点，首先这种液体能源是一种不含硫及灰份的清洁能源，可
进行从民用燃烧至内燃机燃料等应用领域，可较容易地与现今工业应用及民用接轨。其
次由固体转为液体后，其密度由低于0.4克/立方厘米增加到1.2克/立方厘米，使其能量
密度有了数倍的提高，运输及使用极为方便。另外，这种液体产品会更有利于进一步的
深度加工。正是由于上述特征，美国、加拿大及欧盟等发达国家十分重视对这一技术的
开发，加拿大西安大略大学开发的生物质直接超短接触液化技术。大规模工业化生产成
本仅为50加元/吨（约合300人民币元/吨）。是将生物质能源变化高品位现代能源的重要
技术突破。目前加拿大、美国、意大利、芬兰等国已有20多台工业示范装置投入运行，
最大处理能力为日处理生物质100吨，可产生7-8MW的电力，供400-500户家庭使用。取得
了可观的经济效益。所发表的技术经济评价表明，目前的生产成本已可与常规的石化燃
料相竞争。按上述结果计算，我国的5亿吨的秸秆资源及1亿吨以上的薪材、锯末等生物
质可生产出4亿吨以上的液态产物，折合为标准油达2亿吨以上，已高于我国目前的石油
加天然气产量。可占到全国能源消耗量的15%以上。另外我国还有数倍于这些农林废弃物
的生物质资源可以开发利用，从可以而开创出一个利用可再生资源、高品位能源的新型
产业。这项技术的成熟与发展对未来二十一世纪我国经济的发展将有重大影响。这一技
术涉及多相超快速化学反应工程与传递过程。是一项全新的研究领域，需要有大量的基
础研究及应用基础投入。三、工程开发所需解决的基础研究问题为实现对生物质裂解深
度的控制，以最大限度地得到裂解液体产物，裂解原料的升温速度要达到103-104 ℃/S
及相应的超短接触反应时间、快速反应和快速终止技术等裂解条件。而裂解产物中的数
百种含氧烃类衍生物需进一步进行炼制和深加工，以得到优质液体燃料或重要化工原料
。另外，生物质裂解规模大，原料差异亦大，裂解产物分布宽且成分复杂，这也给生物
质裂解过程的基础研究和产业化带来较大难度和挑战。目前，我国在这一领域的基础研
究尚属空白，国外发达国家对这一领域的研究虽起步较早，但仍缺乏深度和系统性。超
高速裂解技术在相邻产业中也进行着大量的研究。美、法联合开发的重油超短接触气固
并流下行装置生产烯烃；俄、德开发中的等离子超短接触煤加氢生成乙炔技术,反应时间
均在0.1秒左右,而且要有更高的裂解温度(800～1000℃)，若取得了很大的进展可望在2
1世纪初进入商业运营,所以，实现生物质裂解过程的产业化是完全可行的，但仍需做大
量基础研究和工程技术基础研究。所需进行的主要基础研究包括：化学方面的问题a) 高
温超快速条件下生物质裂解热力学及动力学基础研究。建立大规模复杂网络反应动力学
的研究方法，研究生物质高温快速裂解机理，探讨反应器的型式、原料组成、裂解条件
对裂解过程及裂解产物的影响规律，研究并测定生物质裂解原料及产物的热力学参数以
及裂解过程热力学平衡参数，建立我国生物质数据库系统。b) 生物质裂解产物炼制及分
离化学的基础研究。以生产优质液体燃料和重要化工原料为目的，研究开发生物质裂解
含氧产物的炼制加工催化剂以及相应的炼制及分离过程工艺，开展对裂解产物的物化特
性以及深层次的应用化学的基础研究。c) 研究建立生物质裂解原料及产物的分析方法。
生物质裂解原料为大规模生物分子，而裂解产物主要为比较活泼的含氧有机物。因此，
建立的分析方法必须实时在线、快速方便，既能分析生物大分子的组成和结构，又能测
定微量组分的含量。生物方面的问题a) 生物质原料的基础研究。针对生物质裂解利用，
科学地对其进行分类和表征，研究不同利用方式(包括直燃、气化、裂解、生物利用等)
对不同生物质原料的利用效益指数，探讨不同利用方式对生态环境的正负面影响。b) 高
效集能农林作物的基因表达和培育。采用基因技术和生物克隆技术培育高效农林作物品
种，以期实现大面积种植绿色能源作物，解决能源需求的增长及化石能源的替代问题。
化学工程问题a) 化学工程基础研究。通过高温强湍流条件下多相复杂体系中的传递过程
非线性理论研究(动量、热量和质量传递)，完善传递过程理论和建立实用数学模型；解
决生物质裂解技术中传递及多相流动过程放大及操作条件优化问题；研究开发适合于生
物质裂解产物的传质分离和其他新型分离技术。b) 化学反应工程基础研究。研究多相复
杂体系宏观动力学规律，探讨多相传递与反应过程的耦合机制；研究开发用于生物质裂
解过程的反应器，并解决反应装置的放大问题；研究生物质裂解产物的炼制加工反应机
理及反应器，开发生物质裂解产物炼制工艺和技术。c) 过程测量及控制技术基础研究。
研究开发多相物流快速升温及降温技术，并对快速过程测量及控制技术进行研究，以实
现对生物质裂解温度及裂解时间的有效控制。系统过程的放大、模拟及优化问题a) 开展
非线性数学及过程理论的研究，用于化工非线性过程及体系的描述，解决化工过程的研
究开发和化工设备的放大问题；建立生物质裂解反应网络动力学模型，研究大规模动态
非线性过程数学模型的模拟求解方法。b) 开展大系统数学规划及模拟方法的研究，建立
生物质原料集储及输能系统模型，结合生态环境模拟系统模型，进行多目标生物质裂解
利用基地集约化程度的优化。总之,发展高新技术有效利用我国大量存在的生物质资源，
并采用分散存在的资源、分散加工、就地使用的方法是解决高品位农村能源需求、解决
环境保护和可持续发展的重要途径之一,更需要通过多学科交叉才能得到解决,鉴于国外
技术发展迅速,希望能引起国内各方面的重视
英文摘要 The Process of the Flash Pyrolysis of Biomass--A Renewable Resource
 of Fuel in Country-sideY. Jin Department of Chemical Eng. Tsinghua Universi
ty ABSTACT In recent years a great deal of attention has been focused on the
 thermal conversion of biomass to liquid products obtainable from short-time
, high-temperature pyrolysis in the world. With the depletion of fossil fuel
s and concerns over CO2 emission, renewable biomass is now being considered 
as an important energy resource especially for Chinese country-side, where a
 large amount of various forms of biomass per year is unused. Indeed there a
re a number of biomass sources being considered as potential sources of fuel
s and chemical feedstocks. Flash pyrolysis is terms used to describe process
es with very short reaction times (less than 500ms), High reactor temperatur
es (greater than 650°C), rapid heating rates (thousands of degrees per seco
nd) and rapid quenching of the reaction products. These processes convert bi
omass into liquid products containing up to 80% organic compounds with the 2
2MJkg-1 heating-value. The liquid products can be directly used as fuels or 
to be used as rough materials for further upgrading. A complete characteriza
tion of flash pyrolysis and its advantages with respect to product quality a
nd selectivity over the more conventional thermochemical conversion processe
s, have been presented by many important research institutes and universitie
s. And the economics of biomass pyrolysis are also generally considered to b
e favorable for several pilot plants in Canada, Sweden, Italy, Finland and o
thers (50 Canadian dollars per ton of biomass oil). For an agriculture-based
 economy like that of China, the prospect of being able to convert widely av
ailable biomass materials into various forms of fuels is most attractive and
 need to pay more attention on its development.

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