蔡春芳

(漢中職業技術學院機電工程系，陜西漢中723000)

　　摘要：生物質能源是目前世界范圍內被認為可替代石油和天然氣的新一代清潔能源。生物質能源必須經過轉化才能成為可利用的能源，微波加熱技術由于加熱速度快，熱能利用率高特點，在生物質能源利用中起到了重要的推動作用。本文簡要介紹了微波加熱技術的原理及優勢，重點綜述了其在生物質能源領域的應用情況，最后對生物質能源未來發展進行了展望。

　　生物質能源是利用自然界的植物將太陽能以化學能的形式儲存起來轉化成的能源，物質結構主要為半纖維素、纖維素和木質素，其揮發性高、炭活性高，氮、硫含量低，是目前被看好的可替代石油的全球主要能源之一，具有能力為可持續的未來能源需求做出實質性貢獻的潛力。當生物質能源結構中相鄰碳原子、氫原子和氧原子之間的鍵斷開時，化學能就被釋放出來。目前，生物質在可再生能源中的貢獻最大，林業、農業和城市殘留廢棄物等均被用作生物質能源的原材料來發電和產熱。在歐洲，生物質能源占所有再生能源的62％以上[1-2]。

　　生物質轉化為最終的能源和化學產品一般要經過熱化學和生物化學兩個主要路徑。生物質的轉化效率和很多因素有關，原材料種類、數量、采用的加工技術等。雖然生物質能源是最有潛力的可持續發展的清潔能源，但是與化石燃料相比，它的低能量密度和異質性使其在運輸和儲存上具有較大的難度，而且價格比化石燃料貴很多，此外，其內在組分中的化學成分、水和堿的含量因生物質原料的變化差異很大。這就導致生物質原料需要經過某種前處理，以滿足物質轉換技術的質量和同質性要求。

　　因此，前處理成為生物質能源轉化的關鍵因素。傳統的前處理方式均是通過熱風干燥來實現的，處理時間較長，效率低。微波技術作為高效的熱處理方式，具有加熱均勻、溫度梯度小、無滯后性、微波能利用率高等特點，而且不會產生其他電離輻射，可以對物質進行選擇性加熱，是生物質前處理新的熱點研究方向[2]。本文簡要介紹了微波加熱預處理的工作原理，重點綜述了微波加熱在生物質能源領域的應用現狀。

　　1微波加熱技術工作原理

　　微波是頻率在300MHz~300GHz范圍的電磁波，穿透力極強。為了避免干擾電信和移動手機的頻率，微波反應器(通常用于化學合成反應)和國內微波爐的運行頻率在2.45M～900MHz。微波對極性分子或者離子作用就會誘導快速加熱，微波作用在物質上，可能產生原子極化、分子極化、界面極化和偶極轉向極化，其中對物質加熱起主要作用的是偶極轉向極化[3]。

　　極性分子的介電常數較大，能與微波較好地耦合，將大部分微波能轉化為熱能，而非極性分子的耦合作用較弱，能量轉化效率就相應較差，為了克服非極性分子的這一缺點，在使用微波加熱時，可以借助有機化合物、極性無機鹽及含水物質等來加強微波能的吸收和轉化。微波加熱效果與物質本身的介電特性密切相關，實際上是物質在電磁場中因本身介質損耗而引起體積加熱。如果是混合物，微波會選擇性進行加熱，與傳統加熱方式相比，微波加熱無滯后性，只要無微波能的傳導，物質加熱就會終止，因此對于加熱溫度控制要求較高的反應，微波加熱的優勢特別明顯。同時，微波加熱能量利用率高于傳統加熱，被加熱的物質升溫迅速，對于工業化應用其經濟優勢非常明顯。

　　微波加熱的方向與傳統加熱方向相反，傳統的加熱方式是將熱量從材料表面(從一個外部熱源)通過對流或者輻射而傳導到物質內部。微波加熱可以被看做是一種能量轉換，穿透力極強的電磁波進入材料內部，向四周輻射能量，同步的轉化為熱能，使被加熱物質均勻受熱。這種獨特的逆向加熱具有很多優點，能提高能量轉移效率、減少加熱時問(實現一個給定的過程溫度，幾乎是瞬間加熱)，有利于加熱過程本身的控制，消除了材料表面過熱的風險[4-5]。

　　2微波加熱在生物質能源中的應用

　　相對傳統加熱技術來說，微波加熱技術使用一種獨特的加熱方法(由內向外加熱)，保證加熱效率，快速實現目標反應溫度。干燥是生物質能源轉化的必要條件之一，也是生物質能源轉化耗能最大的操作單元之一。干燥的主要目的是減少生物質的含水量，進一步提高能源轉化效率，提高產品質量，延長產品的保質期。只有當生物質中的含水量足夠低，才能抑制微生物生長，減少酶解的反應和其他副反應。微波加熱技術與常規熱風干燥相比，熱量分布更為均勻，還有研究表明，微波加熱干燥生物質可以改善孔隙結構，最終優化生物質原料燃燒性能[6-8]。下面，就微波加熱技術在生物質能源中的應用做詳細描述。

　　2.1微波熱解生物質制備合成氣

　　熱解是生物質熱化學轉化方式的一種，可以將生物質轉化為氣、液、固三相產物。但是生物質熱解氣中攜帶較多的CO₂、CH₄、水蒸汽及焦油等，這些物資如果能進一步轉化為合成氣不僅對生物質定向轉化合成氣技術本身具有重要意義，而且對于減排溫室氣體有積極影響。基于微波加熱即時性、整體性、選擇性和高效性的特點，很多學者通過微波熱解生物質制取合成氣，獲得了很好的效果。李龍之[9]以玉米秸稈為原料，在電耗為2.3kw·h/(kg秸稈)條件下，生物質微波轉化合成氣的能量轉化效率為52.76％。在合成氣收率為52.5％(質量百分比)、原料收購價格為300元/t和系統處理量為2t/h等條件下，估算出合成氣制備成本為2805元/t。在生物質微波轉化合成氣的基礎上，充分利用合成氣和生物質焦的高附加值，提出了一條生物質多聯產綜合利用的技術路線。

　　于穎等[10]利用實驗室微波加熱裝置，研究了微波功率、椰殼活性炭(微波受體)添加量和反應氣氛條件對污泥(含水率76.8％)熱解產物產量和特性的影響。結果表明，足夠的微波輻照強度和7.5％以上的活性炭添加量可實現污泥的快速熱裂解。隨著微波輻照強度的增加，合成氣中H₂和CO的體積百分比增大，合成氣的品質有明顯的提升。王允圃等[11]以稻殼為研究對象，采用碳化硅、殘炭為微波吸收劑，研究微波吸收劑輔助微波快速熱解稻殼氣化特性，結果表明，微波吸收劑輔助吸波快速熱解稻殼產物以氣體為主，最高達53％，熱解氣體產物主要成分為H₂、CO₂、CO、CH₄，占到純熱解氣總量的97％以上。稻殼與殘炭添加量質量比為1：1時，氫氣體積分數可達48.12％，合成氣(H₂+CO)含量大于60％。董慶等[12]的研究也得到了相似的結論：隨著微波功率的增加，竹材最高熱解溫度及對應的升溫速率逐漸提高，竹材熱解程度加劇。研究發現，微波熱解得到的氣體產率總是大于液體產率，且顆粒粒徑的減小提高了竹材升溫速率和最高熱解溫度，更有利于不可冷凝氣體的生成。

　　2.2微波熱解生物質制備液體燃料

　　生物質熱解生成液體燃料時，如果其中的含水質量超過30％，則會發生相分離，油品的熱值也會因此降低，品質變差。生物質中的質量含水率<10％最理想。如果使用常規的方法干燥生物質原料，會消耗高達生物質自身總能量的60％的能量。微波加熱技術與常規熱風干燥相比，熱量分布更為均勻，消耗生物質自身總能量<40％，還可改善生物質孔隙結構，最終優化原料燃燒性能。木質纖維素作為地球上最豐富、最廉價的可再生資源，是最重要的燃料酒精生產的后備資源。潘曉輝研究結果發現，傳統的預處理方法使秸稈致密的結構變得疏松的原因都是通過纖維素與半纖維素或木質素的分離實現的，底物的可消化性因此提高；而微波預處理是微波能穿透物質過程中的“鉆孔”能力，增大秸稈與纖維素酶的接觸面積，也使得纖維素酶容易進入秸稈內部進行水解從而達到提高酶解效率的目的。當以秸稈和水的固液比為1：40，在800W的微波下加熱4min。以該條件下預處理的秸稈作底物，用纖維素酶水解和等溫同時糖化(SSF)時，乙醇理論產率達76％[13]。

　　微藻具有含油量高、油質好、生長速度快、不占用耕地、減排二氧化碳、凈化環境等獨特優勢，作為第三代生物質能受到越來越多的重視。直接使用濕藻在微波加熱條件下一步法制取生物柴油，解決了微藻全部生物質水熱反應得到的生物柴油成分復雜、工藝復雜、能耗大、脫氧脫氮困難的問題。濕藻分級轉化的制油過程得到的總生物柴油產量與濕藻全部生物質一步水熱反應得到的產油量相當，而分級轉化可以把生物柴油分成高低兩個不同品位的生物柴油，能夠更有效地進行后續加工利用[14]。

　　萬益琴等[15]利用自行優選、培養、收獲并干制的海藻粉，采用自行研制的玉米秸稈微波裂解的相關設備，對微波裂解海藻制取生物燃油的技術進行試驗研究，獲得大量在自然條件下可分層的海藻生物柴油。其研究表明，微波裂解海藻是一種低成本、快速、高效制取海藻生物燃油的方法。王濤[16]的研究發現，秸稈微波熱解的耗電量在0.58～0.88kW·h/(kg秸稈)之間，隨著微波功率的增大，單位質量秸稈完成熱解所需電耗增大；在功率可對比的情況下，微波加熱比電加熱速度快、熱解氣熱值高，微波熱解氣焦油含量比電加熱熱解氣高。為了研究玉米秸稈形成可再生能源，楊昌炎[17]等通過熱解可轉化為液體燃料——生物柴油，當熱解溫度500℃、處理量0.3kg/kW、熱解時間15min、堆密度大于0.40kg/m³、碳的添加量為秸稈的5％～10％時，生物柴油產率最達到56％。

　　2.3微波熱解生物質制備吸附劑

　　農林業廢棄物等生物質是制備吸附劑的良好原材料，具有資源豐富、經濟環保、易獲取、可再生利用及表面疏松多孔等天然優勢。大部分農林廢棄物中都由纖維素、半纖維素、木質素等組成，其結構中含有大量的羥基與羧基等多種活性基團，易于改性，也可通過螯合、配位、絡合、氫鍵等作用結合重金屬離子和有機小分子污染物。賴志彬[18]以無患子為原料，通過微波快速裂解技術制備生物質油和活性炭，突破了無患子種殼堅硬的難題。裂解溫度600.80℃、微波功率1.93kw、吸收劑添加量1.87％、裂解時間7.43min，生物柴油產率為47.67％。微波熱解制備的無患子活性炭的吸附性能檢測結果顯示，碘吸附值達1036mg/g，符合國家凈水用一級品標準。孫建等[19]以稻殼為原料，氯化鋅為活化劑，采用微波處理，制備出微細孔發達的商業級活性炭。微波法生物質制活性炭，加熱時間短，能耗低，具有很好的商業前景。

　　板栗殼、核桃殼經過微波處理可制備高效的水處理吸附劑。對微波輻照蘋果酸改性后的核桃殼及板栗殼吸附劑的結構進行表征發現1737cm^-1處出現了一個尖銳而明顯的吸收峰，同時由于在1250cm^-1和1050cm^-1兩處左右出現比1737cm^-1處強的吸收峰，表明經過改性后核桃殼和板栗殼均在微波輻照下與蘋果酸發生了酯化反應，從而在表面引入了新的C—O官能團；通過掃描電鏡(SEM)觀察到改性后核桃殼、板栗殼吸附劑表面粗糙，出現孔狀結構，從而有利于對Cr(VI)離子的吸附[20]。微波裂解使稻殼裂解為氣、液、固三相，其中氣體、液體可作為新型可再生能源加以利用，而固體部分，即稻殼炭，作為原材料制備新型活性炭，這部分物質得率約在30％～45％，經過化學活化法制備高品質的稻殼活性炭，其碘吸附值為965.22mg/g，超過了凈水用活性炭的國家二級品指標，而亞甲基藍吸附值為148.50mg/g，達到了凈水用活性炭的國家一級品標準[21]。

　　3展望

　　微波加熱技術能將生物質能源高效轉化為生物燃料的高新技術，如果能工業化應用，必將大幅度降低生物質再生處理的成本。生物質熱解產物液體燃料、氣體及固體物質是相互伴生的，是在不同溫度梯度下產生的不同物質。微波加熱效率因物質而異，因此無法確保生物質在微波加熱過程中能吸收足夠的熱量，產生熱梯度，使各種產物相對較易分離，這也是目前限制微波加熱技術在生物質能源工業化應用中的關鍵因素。同時由于微波加熱影響因素較多，也加大了其從實驗室到中試的難度。相信隨著微波加熱原理的進一步明晰，其在生物質能源的應用中也將創造更多的價值。

　　生物質能源主要包括秸稈、糞便、城市生活垃圾、海洋生物、污油、污泥等，每年的產量特別大，大部分都被當作垃圾焚燒掉，不僅污染空氣，還造成資源浪費，生物質能源經過加工可以轉化為有用的能源燃料、熱能、交通能源、固態吸附劑等，是多元化的再生能源。我國是農業大國，生物質資源比較豐富，在目前能源緊張的局勢下，開發生物質資源對于緩解緊張的石油資源具有重要的戰略意義，同時還能為環保做貢獻，長期看來，是一條可持續發展的道路。相信隨著科研工作者的努力和國家政策的倡導，生物質能源必將發揮更大的作用。