多种洗涤预处理对生物质热解影响的对比研究
文献综述
生物质能，就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能分布广泛、产量巨大、可再生且性能稳定，同风能、太阳能相比，很少受自然因素的制约，又能加工转换成常规的固态、液态和气态燃料，便于储运。生物质生长过程中吸收大量的CO2气体，燃烧过程排放的CO2气体与吸收的相当，几乎没有SO2气体排放，因此被称为CO2中性燃料。
生物质能具有可再生、低污染、分布广、储量大等优点。因此，生物质能的利用在国内外受到广泛的重视。通过先进、成熟和高效的生物质能转换技术，生产出使用方便、无污染的气体、固体和液体燃料，替代化石能源，减少温室气体排放，并从根本上解决农村普遍存在的“畜牧公害”和“秸秆问题”，是我国发展生物质能产业的长期目标。这不但能实现能源消费与环境保护的双赢，而且能实现能源的可持续发展，从而推进经济社会的可持续发展。
但生物质原料的品质较低限制了生物质利用技术的进一步发展。因此，在生物质利用之前，往往需要对生物质进行预处理，以提高生物质及其热解产物的品质。生物质预处理的目的是通过对生物质进行优化处理，譬如干燥、洗涤、烘焙、水热等方法可以改变生物质的某些特性，如硬度、粒度、密度、组分以及一些化学特性，使之在热解液化过程中产生更多、品质更高的生物油[1-6]。水相生物油是生物质热解液体产物的一部分，它含有较多的水分和酸类物质，能有效脱除生物质中的灰分和金属元素，进而提高生物质原料及热解产物品质。
生物质中除了碳、氢、氧有机元素外，还含有一定量的矿物质元素，如 Si、K、Cl、S、Fe、P、Mg、Ca、Cu、Na 和 Al 等。生物质中金属元素的来源主要有两类 ：一是燃料本身固有的金属元素，由于生物质本身含氧量高，大量的含氧官能团为金属元素在生物体内的贮存提供了场所，这些金属元素与含氧官能团结合在一起，受自身挥发特性以及燃料中有机反应的影响在热解过程中挥发出来；二是通过地质原因或加工处理等外在因素添加进去的，这些金属元素在生物质中常以颗粒形式存在，在热解过程中一般处于惰性状态，不参与热解反应的转化和析出，最后形成飞灰，残留在固体残渣中。
金属元素可以提高生物质热解产物中气态和固态产物的收率，降低液态产物的收率，但不同的金属元素在热解过程中的作用不同[7-8]。Bru等发现，浸渍Fe3 和Ni3 的橡树木屑在700℃热解时，气相产物收率显著增加，其中H2和CO2的收率增加，CH4收率降低，研究还发现，浸渍Fe3 和Ni3 后，生物质热解产物中生物油收率明显下降，这是因为Fe3 会减少小分子烃类物质的生成，而Ni3 则会使产物中苯和稠环芳烃的收率降低。谭洪等研究表明，碱金属和碱土金属元素明显影响着生物质的热解行为，实验中随着生物质中K添加量的增加，热解产生的气相产物和焦炭收率逐渐增加，而生物油的产率逐渐降低，在热解反应中，K在促进CO2产生的同时，会抑制CO的生成[19]。
金属元素不仅影响热解生物油的产率，而且对其品质的影响也很显著。王树荣等采用浸渍的方法向纤维素中添加了KCl，热解结果表明，随着纤维素中K含量的升高，生物油中水分含量急剧升高，而且K对左旋葡聚糖转化为乙醇醛的反应具有一定的促进作用[20]。杨昌炎等研究了K和Ca对生物质热解的影响，实验采取水洗和酸洗等脱灰处理去除了生物质本身的金属元素，通过对比生物质脱灰处理前后热解产物的变化，结果发现，生物质经脱灰处理后，热解反应倾向于生成含C-O-C化合物，如秸秆经水洗脱灰后，热解产物中左旋葡聚糖、纤维糖类和醚类的收率升高，而乙醛、醛和酮等含有C=O的化合物的收率降低，说明K和Ca的存在有利于生物质热解过程中低分子量生物油的形成[21]。廖艳芬等采用浸渍的方法向纤维素滤纸中添加了不同含量的KCl，热解实验结果表明，反应产物中低分子量产物(乙醇醛、乙醛和糖基化合物等)的收率升高，这说明碱金属元素有利于裂解和歧化反应，同时，实验还表明，碱土金属元素显著影响着单糖碎片的重整和异构化反应，使热解产物中呋喃和杂环衍生物的收率升高[22]。
金属元素也会影响生物质的热解温度。在升温速率为30℃/min, N2流量为100mL/min的条件下，秸秆生物质中添加CaO后，其热解温度和最大热解失重速率降低，同时，热解的挥发分收率升高。Fahmi等通过水洗等脱盐预处理研究了碱金属和碱土金属元素对生物质热解的影响，结果表明，生物质自身存在的金属元素不仅可以降低其热解温度，还可以提高热失重速率[23]。
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