生物质热解涉及哪些反应？解锁化学，定制生物产品

从核心来看，生物质热解并非单一的化学反应，而是一个复杂、两阶段的热过程。首先，热量在无氧环境中分解生物质中的大分子有机聚合物（这一过程称为脱挥发分），生成固体炭、液体蒸汽（焦油）和气体的混合物。这些初始产物随后经历一系列二次反应，相互作用形成最终的稳定产物：生物炭、生物油和合成气。

热解最好理解为一系列反应的级联，而非单一方程式。生物质的初始热裂解之后是涉及所得炭和蒸汽的二次反应。最终产物产量——炭、油或气——完全取决于过程条件（如温度和加热速率）偏向于哪种二次反应途径。

热解反应的两个阶段

要理解热解，必须将该过程分为两个不同但相互关联的阶段。第一个是固体生物质的初始分解，第二个是所得产物的后续转化。

这是生物质本身最初的热“裂解”。热能分解生物质主要成分（纤维素、半纤维素和木质素）内的化学键。

此阶段不能用简单的化学方程式表示。它是一个复杂的同步分解反应网络，将固体生物质转化为三种主要产物：

一旦初级产物形成，它们会在反应器的热环境中继续反应。这些二次反应最终决定了产物的最终组成和产量。其中最重要的是热炭与阶段1中产生的气体和蒸汽的反应。

主要的二次反应包括：

此外，重质焦油蒸汽在高温下会发生热裂解，分解成更轻、不凝性的气体，并在炭上沉积更多的碳。

这些反应之间竞争的“胜者”由过程条件决定。通过控制温度、加热速率和停留时间，您可以引导过程以最大限度地提高炭、液体或气体的产量。

在慢速热解中，低温度（<400°C）和慢加热速率使二次反应有充足的时间发生。这种环境有利于炭形成反应，并允许一些蒸汽重新聚合回固体，从而最大限度地提高生物炭产量。

在快速热解中，高温和极快的加热速率几乎瞬间分解生物质。所得蒸汽立即被移除并淬火（冷却）以阻止二次反应。这“冻结”了中间阶段的过程，最大限度地收集可冷凝蒸汽作为生物油。

区分热解和气化至关重要。热解在完全无氧的情况下进行，而气化则涉及有意引入反应剂，如氧气、蒸汽或空气。

在高温下引入氧化剂会促进产气反应，如部分燃烧（C + ½O₂ → CO）和上述的水煤气反应。这从根本上将目标转向最大限度地提高合成气（CO + H₂）的产量。

热解化学呈现了一个不可避免的“产品三难困境”：您无法在单一过程中同时最大限度地提高炭、油和气的产量。

优化一种产品会以牺牲其他产品为代价。有利于炭形成的长时间停留会因蒸汽裂解或再聚合而破坏液体产量。快速淬火以保存生物油会阻止二次产气反应充分进行。

生物质并非均一的化学物质。其组分——纤维素、半纤维素和木质素——在不同温度下分解并产生不同的中间产物。这种固有的变异性意味着精确控制和预测反应途径仍然是一个重大的技术挑战。

您的热解条件选择必须以您期望的最终产品为指导。潜在的反应途径为您如何实现目标提供了清晰的路线图。

理解这些反应途径是将原始生物质转化为有价值的定制产品的关键。