生物質(zhì)能源是目前世界范圍內(nèi)被認(rèn)為可替代石油和天然氣的新一代清潔能源。生物質(zhì)能源必須經(jīng)過轉(zhuǎn)化才能成為可利用的能源，微波加熱技術(shù)由于加熱速度快，熱能利用率高特點(diǎn)，在生物質(zhì)能源利用中起到了重要的推動(dòng)作用。下面文章主要介紹了微波加熱技術(shù)的原理及優(yōu)勢，重點(diǎn)闡述了其在生物質(zhì)能源領(lǐng)域的應(yīng)用情況，最后對生物質(zhì)能源未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞：微波加熱,生物質(zhì),能源應(yīng)用

　　生物質(zhì)能源是利用自然界的植物將太陽能以化學(xué)能的形式儲存起來轉(zhuǎn)化成的能源，物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為半纖維素、纖維素和木質(zhì)素，其揮發(fā)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(xù)的未來能源需求做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)的潛力。當(dāng)生物質(zhì)能源結(jié)構(gòu)中相鄰碳原子、氫原子和氧原子之間的鍵斷開時(shí)，化學(xué)能就被釋放出來。

　　目前，生物質(zhì)在可再生能源中的貢獻(xiàn)最大，林業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市殘留廢棄物等均被用作生物質(zhì)能源的原材料來發(fā)電和產(chǎn)熱。在歐洲，生物質(zhì)能源占所有再生能源的62%以上[1～2]。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為最終的能源和化學(xué)產(chǎn)品一般要經(jīng)過熱化學(xué)和生物化學(xué)兩個(gè)主要路徑。生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率和很多因素有關(guān)，原材料種類、數(shù)量、采用的加工技術(shù)等。

　　雖然生物質(zhì)能源是最有潛力的可持續(xù)發(fā)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(zhì)性使其在運(yùn)輸和儲存上具有較大的難度，而且價(jià)格比化石燃料貴很多，此外，其內(nèi)在組分中的化學(xué)成分、水和堿的含量因生物質(zhì)原料的變化差異很大。這就導(dǎo)致生物質(zhì)原料需要經(jīng)過某種前處理，以滿足物質(zhì)轉(zhuǎn)換技術(shù)的質(zhì)量和同質(zhì)性要求。

　　因此，前處理成為生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的前處理方式均是通過熱風(fēng)干燥來實(shí)現(xiàn)的，處理時(shí)間較長，效率低。微波技術(shù)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(diǎn)，而且不會(huì)產(chǎn)生其他電離輻射，可以對物質(zhì)進(jìn)行選擇性加熱，是生物質(zhì)前處理新的熱點(diǎn)研究方向[2]。

　　本文簡要介紹了微波加熱預(yù)處理的工作原理，重點(diǎn)綜述了微波加熱在生物質(zhì)能源領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。

　　1微波加熱技術(shù)工作原理

　　微波是頻率在300MHz～300GHz范圍的電磁波，穿透力極強(qiáng)。為了避免干擾電信和移動(dòng)手機(jī)的頻率，微波反應(yīng)器(通常用于化學(xué)合成反應(yīng))和國內(nèi)微波爐的運(yùn)行頻率在2.45M～900MHz。微波對極性分子或者離子作用就會(huì)誘導(dǎo)快速加熱，微波作用在物質(zhì)上，可能產(chǎn)生原子極化、分子極化、界面極化和偶極轉(zhuǎn)向極化，其中對物質(zhì)加熱起主要作用的是偶極轉(zhuǎn)向極化[3]。

　　極性分子的介電常數(shù)較大，能與微波較好地耦合，將大部分微波能轉(zhuǎn)化為熱能，而非極性分子的耦合作用較弱，能量轉(zhuǎn)化效率就相應(yīng)較差，為了克服非極性分子的這一缺點(diǎn)，在使用微波加熱時(shí)，可以借助有機(jī)化合物、極性無機(jī)鹽及含水物質(zhì)等來加強(qiáng)微波能的吸收和轉(zhuǎn)化。微波加熱效果與物質(zhì)本身的介電特性密切相關(guān)，實(shí)際上是物質(zhì)在電磁場中因本身介質(zhì)損耗而引起體積加熱。

　　如果是混合物，微波會(huì)選擇性進(jìn)行加熱，與傳統(tǒng)加熱方式相比，微波加熱無滯后性，只要無微波能的傳導(dǎo)，物質(zhì)加熱就會(huì)終止，因此對于加熱溫度控制要求較高的反應(yīng)，微波加熱的優(yōu)勢特別明顯。同時(shí)，微波加熱能量利用率高于傳統(tǒng)加熱，被加熱的物質(zhì)升溫迅速，對于工業(yè)化應(yīng)用其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢非常明顯。微波加熱的方向與傳統(tǒng)加熱方向相反，傳統(tǒng)的加熱方式是將熱量從材料表面(從一個(gè)外部熱源)通過對流或者輻射而傳導(dǎo)到物質(zhì)內(nèi)部。

　　微波加熱可以被看做是一種能量轉(zhuǎn)換，穿透力極強(qiáng)的電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部，向四周輻射能量，同步的轉(zhuǎn)化為熱能，使被加熱物質(zhì)均勻受熱。這種獨(dú)特的逆向加熱具有很多優(yōu)點(diǎn)，能提高能量轉(zhuǎn)移效率、減少加熱時(shí)間(實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(fēng)險(xiǎn)[4～5]。

　　2微波加熱在生物質(zhì)能源中的應(yīng)用

　　相對傳統(tǒng)加熱技術(shù)來說，微波加熱技術(shù)使用一種獨(dú)特的加熱方法(由內(nèi)向外加熱)，保證加熱效率，快速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)反應(yīng)溫度。干燥是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的必要條件之一，也是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)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(zhì)的含水量，進(jìn)一步提高能源轉(zhuǎn)化效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長產(chǎn)品的保質(zhì)期。只有當(dāng)生物質(zhì)中的含水量足夠低，才能抑制微生物生長，減少酶解的反應(yīng)和其他副反應(yīng)。微波加熱技術(shù)與常規(guī)熱風(fēng)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(zhì)可以改善孔隙結(jié)構(gòu)，最終優(yōu)化生物質(zhì)原料燃燒性能[6～8]。下面，就微波加熱技術(shù)在生物質(zhì)能源中的應(yīng)用做詳細(xì)描述。

　　2.1微波熱解生物質(zhì)制備合成氣

　　熱解是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方式的一種，可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣、液、固三相產(chǎn)物。但是生物質(zhì)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化為合成氣不僅對生物質(zhì)定向轉(zhuǎn)化合成氣技術(shù)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(shí)性、整體性、選擇性和高效性的特點(diǎn)，很多學(xué)者通過微波熱解生物質(zhì)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(zhì)微波轉(zhuǎn)化合成氣的能量轉(zhuǎn)化效率為52.76%。在合成氣收率為52.5%(質(zhì)量百分比)、原料收購價(jià)格為300元/t和系統(tǒng)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(zhì)微波轉(zhuǎn)化合成氣的基礎(chǔ)上，充分利用合成氣和生物質(zhì)焦的高附加值，提出了一條生物質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)綜合利用的技術(shù)路線。于穎等[10]利用實(shí)驗(yàn)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(yīng)氣氛條件對污泥(含水率76.8%)熱解產(chǎn)物產(chǎn)量和特性的影響。結(jié)果表明，足夠的微波輻照強(qiáng)度和7.5%以上的活性炭添加量可實(shí)現(xiàn)污泥的快速熱裂解。隨著微波輻照強(qiáng)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(zhì)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?zhí)繛槲⒉ㄎ�收劑，研究微波吸收劑輔助微波快速熱解稻殼氣化特性，結(jié)果表明，微波吸收劑輔助吸波快速熱解稻殼產(chǎn)物以氣體為主，最高達(dá)53%，熱解氣體產(chǎn)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?zhí)刻砑恿抠|(zhì)量比為1∶1時(shí)，氫氣體積分?jǐn)?shù)可達(dá)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(jié)論：隨著微波功率的增加，竹材最高熱解溫度及對應(yīng)的升溫速率逐漸提高，竹材熱解程度加劇。研究發(fā)現(xiàn)，微波熱解得到的氣體產(chǎn)率總是大于液體產(chǎn)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(zhì)制備液體燃料

　　生物質(zhì)熱解生成液體燃料時(shí)，如果其中的含水質(zhì)量超過30%，則會(huì)發(fā)生相分離，油品的熱值也會(huì)因此降低，品質(zhì)變差。生物質(zhì)中的質(zhì)量含水率<10%最理想。如果使用常規(guī)的方法干燥生物質(zhì)原料，會(huì)消耗高達(dá)生物質(zhì)自身總能量的60%的能量。微波加熱技術(shù)與常規(guī)熱風(fēng)干燥相比，熱量分布更為均勻，消耗生物質(zhì)自身總能量<40%，還可改善生物質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)，最終優(yōu)化原料燃燒性能。木質(zhì)纖維素作為地球上最豐富、最廉價(jià)的可再生資源，是最重要的燃料酒精生產(chǎn)的后備資源。

　　潘曉輝研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的預(yù)處理方法使秸稈致密的結(jié)構(gòu)變得疏松的原因都是通過纖維素與半纖維素或木質(zhì)素的分離實(shí)現(xiàn)的，底物的可消化性因此提高;而微波預(yù)處理是微波能穿透物質(zhì)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(jìn)入秸稈內(nèi)部進(jìn)行水解從而達(dá)到提高酶解效率的目的。當(dāng)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(yù)處理的秸稈作底物，用纖維素酶水解和等溫同時(shí)糖化(SSF)時(shí)，乙醇理論產(chǎn)率達(dá)76%[13]。

　　微藻具有含油量高、油質(zhì)好、生長速度快、不占用耕地、減排二氧化碳、凈化環(huán)境等獨(dú)特優(yōu)勢，作為第三代生物質(zhì)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(zhì)水熱反應(yīng)得到的生物柴油成分復(fù)雜、工藝復(fù)雜、能耗大、脫氧脫氮困難的問題。濕藻分級轉(zhuǎn)化的制油過程得到的總生物柴油產(chǎn)量與濕藻全部生物質(zhì)一步水熱反應(yīng)得到的產(chǎn)油量相當(dāng)，而分級轉(zhuǎn)化可以把生物柴油分成高低兩個(gè)不同品位的生物柴油，能夠更有效地進(jìn)行后續(xù)加工利用[14]。

　　萬益琴等[15]利用自行優(yōu)選、培養(yǎng)、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(guān)設(shè)備，對微波裂解海藻制取生物燃油的技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)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(fā)現(xiàn)，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(zhì)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(zhuǎn)化為液體燃料———生物柴油，當(dāng)熱解溫度500℃、處理量0.3kg/kW、熱解時(shí)間15min、堆密度大于0.40kg/m3、碳的添加量為秸稈的5%～10%時(shí)，生物柴油產(chǎn)率最達(dá)到56%。

　　2.3微波熱解生物質(zhì)制備吸附劑

　　農(nóng)林業(yè)廢棄物等生物質(zhì)是制備吸附劑的良好原材料，具有資源豐富、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、易獲取、可再生利用及表面疏松多孔等天然優(yōu)勢。大部分農(nóng)林廢棄物中都由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等組成，其結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基與羧基等多種活性基團(tuán)，易于改性，也可通過螯合、配位、絡(luò)合、氫鍵等作用結(jié)合重金屬離子和有機(jī)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(shù)制備生物質(zhì)油和活性炭，突破了無患子種殼堅(jiān)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(shí)間7.43min，生物柴油產(chǎn)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(jié)果顯示，碘吸附值達(dá)1036mg/g，符合國家凈水用一級品標(biāo)準(zhǔn)。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(xì)孔發(fā)達(dá)的商業(yè)級活性炭。微波法生物質(zhì)制活性炭，加熱時(shí)間短，能耗低，具有很好的商業(yè)前景。

　　板栗殼、核桃殼經(jīng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)1737cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)尖銳而明顯的吸收峰，同時(shí)由于在1250cm-1和1050cm-1兩處左右出現(xiàn)比1737cm-1處強(qiáng)的吸收峰，表明經(jīng)過改性后核桃殼和板栗殼均在微波輻照下與蘋果酸發(fā)生了酯化反應(yīng)，從而在表面引入了新的C═O官能團(tuán);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(xiàn)孔狀結(jié)構(gòu)，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(zhì)得率約在30%～45%，經(jīng)過化學(xué)活化法制備高品質(zhì)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(biāo)，而亞甲基藍(lán)吸附值為148.50mg/g，達(dá)到了凈水用活性炭的國家一級品標(biāo)準(zhǔn)[21]。

　　3展望

　　微波加熱技術(shù)能將生物質(zhì)能源高效轉(zhuǎn)化為生物燃料的高新技術(shù)，如果能工業(yè)化應(yīng)用，必將大幅度降低生物質(zhì)再生處理的成本。生物質(zhì)熱解產(chǎn)物液體燃料、氣體及固體物質(zhì)是相互伴生的，是在不同溫度梯度下產(chǎn)生的不同物質(zhì)。微波加熱效率因物質(zhì)而異，因此無法確保生物質(zhì)在微波加熱過程中能吸收足夠的熱量，產(chǎn)生熱梯度，使各種產(chǎn)物相對較易分離，這也是目前限制微波加熱技術(shù)在生物質(zhì)能源工業(yè)化應(yīng)用中的關(guān)鍵因素。

　　同時(shí)由于微波加熱影響因素較多，也加大了其從實(shí)驗(yàn)室到中試的難度。相信隨著微波加熱原理的進(jìn)一步明晰，其在生物質(zhì)能源的應(yīng)用中也將創(chuàng)造更多的價(jià)值。生物質(zhì)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(chǎn)量特別大，大部分都被當(dāng)作垃圾焚燒掉，不僅污染空氣，還造成資源浪費(fèi)，生物質(zhì)能源經(jīng)過加工可以轉(zhuǎn)化為有用的能源燃料、熱能、交通能源、固態(tài)吸附劑等，是多元化的再生能源。我國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源比較豐富，在目前能源緊張的局勢下，開發(fā)生物質(zhì)資源對于緩解緊張的石油資源具有重要的戰(zhàn)略意義，同時(shí)還能為環(huán)保做貢獻(xiàn)，長期看來，是一條可持續(xù)發(fā)展的道路。相信隨著科研工作者的努力和國家政策的倡導(dǎo)，生物質(zhì)能源必將發(fā)揮更大的作用。

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