随着化石能源的日益消耗以及人们对环境保护意识的不断增强，开发利用可再生的生物质资源、实现人类社会的可持续发展已经成为世界各国的重要发展战略(Mckendry, 2002)。快速热解技术是将低品位的生物质转化成高品质的生物油燃料或者高附加值的化工原料的有效手段(Bridgwater et al., 1999)，国内外众多研究机构和公司对其进行了大量研究，并开发出多种快速热解反应器和工艺(姚福生等，2001)，同时对快速热解过程的影响因素开展了研究。Scott等(1982)采用携带床和流化床2种反应器，以纤维素和枫木(Acer spp.)屑为原料进行了温度对快速热解影响的试验研究；Beaumont等(1984)对山毛榉(Fagus sylvatica)物料粒径尺寸对快速热解的影响进行了研究；中国科技大学、浙江大学、山东理工大学、沈阳农业大学等也对快速热解影响因素做了一定的研究。但是，至今为止，对于不同种类快速热解设备、工艺和机制的研究还不够深入，特别是各因素对热解产物综合影响这方面的研究还有待加强。因此，针对热解产物目标的不同，有必要进一步研究影响快速热解的主要因素在热解过程中的共同作用，以便选取最佳的快速热解工艺操作条件。

本文采用北京林业大学研制开发的喷动循环流床快速热解系统，以热解产物中不可冷凝气体作为循环流化气体，研究反应温度、进料速率、物料粒径及气体流量4个因素对落叶松(Larix gmelinii)树皮快速热解产物产率的影响以及它们共同作用对生物油产率的影响，以期为深入了解快速热解特性提供参考。

1 材料与方法 1.1 试验原料

试验原料选用落叶松树皮来源于内蒙大兴安岭北麓，树龄40年，物料粒径分别为0.2~0.3mm，0.3~0.45 mm，0.45~0.9 mm和0.9~1.2 mm。落叶松树皮理化分析见表 1。

1.2 试验装置

喷动循环流化床快速热解系统如图 1所示。系统主要由螺旋进料器、喷动循环流化床反应器、预热装置、温控系统、冷凝系统、气-固分离器组成。

1.3 试验设计

快速热解受诸多因素影响(杜洪双等，2007)，这些因素并不是单独作用于热解过程，而是相互关联、相互制约，共同影响反应进程。本研究重点考察反应温度、物料粒径、进料速率及气体流量这4个因素对落叶松树皮热解产物产率的影响以及这4个因素共同作用对生物油产率的影响，探索获得高产率、高活性生物油的最佳快速热解工艺条件。按照正交试验设计理论，本试验考察4个因素，每个因素取4个水平，采用L16(4⁵)正交表，见表 2和表 3。

1.4 热解产物计算

快速热解产物包括3部分：炭、不可冷凝气体和生物油。炭产率通过灰分跟踪法计算，热解前后，灰分的含量不变，可得到炭的产率；不可冷凝气体产率通过记录玻璃转子流量计读数和时间计算得到；生物油产率根据反应前后质量守恒获得。

2 结果与分析

试验结果见表 4，热解产物产率与各影响因素的关系如图 2A，B，C，D所示。

2.1 单因素分析 2.1.1 反应温度对热解产物产率影响

从图 2A可以看出，随着热解反应温度的升高，不可冷凝气产率逐渐增加，生物油产率在温度550 ℃时达到最大值73%，然后下降，到600 ℃时降低到60.97%，固体炭产率由27%下降到9%，之后有上升趋势。出现这种现象的主要原因是：在450~550 ℃范围内，热解温度的升高有利于生物油的产生，当温度超过550 ℃时，热解气体发生二次裂解，使得一部分可冷凝气体进一步裂解成小分子的不可冷凝气体和少量的炭(戴先文等，2000；Dinesh et al., 2006)，使生物油产率下降，不可冷凝气体和炭产率增加。

2.1.2 物料粒径对热解产物产率影响

从图 2B可以看出，生物油、不可冷凝气体和炭3种快速热解产物产率在试验范围内随物料粒径的增加变化不明显。出现这种现象的主要原因是：当物料粒径小于1 mm时，快速热解过程受反应动力学速率控制，当物料粒径大于1 mm时，热解过程中还同时受传热和传质控制(Bridgwater et al., 2000；王树荣等，2004)。本试验选用的落叶松树皮物料粒径在0.2~1.2 mm的范围内，物料的升温速率基本不受传热传质控制，对快速热解产物产率影响不明显。

2.1.3 进料速率对热解产物产率影响

从图 2C可以看出，随着进料速率的增加，生物油产率、不可冷凝气体产率变化不显著，炭产率有增加趋势。出现这种现象的主要原因是：一般情况下，进料速率的增加会导致单位时间内反应器中物料增多，产生的热解气体不能很快脱离物料表面，增大了气相停留时间，热解气体二次裂解，生物油产率下降。同时，单位时间内物料增多影响快速热解升温速率，炭产率增加，但从试验结果看，在本试验选取的进料速率范围内，进料速率对快速热解产物产率影响不大。

2.1.4 气体流量对热解产物产率影响

从图 2D可以看出，随着气体流量的增加，生物油产率增大，炭产率下降，不可冷凝气体产率变化不明显。出现这种现象的主要原因是：在15~30 m³·h^-1范围内，气体流量增大使落叶松树皮颗粒气固两相界面上产生的气体浓度降低，产生的热解气体能够立刻脱离颗粒表面，同时产生的热解气体在反应器内停留时间缩短，有利于提高生物油产率，降低炭的产率。

2.2 直观分析与方差分析

对16组正交试验结果进行直观分析，见表 5。由表可知，这4种因素对生物油产率影响的显著程度依次为：反应温度＞气体流量＞物料粒径＞进料速率。

由于直观分析法不能估计试验过程中以及试验结果测定中存在误差的大小，因此对不同热解条件影响因素进行了方差分析，结果见表 6。

由表 6可知，对于生物油产率，反应温度影响极显著，气体流量较显著，物料粒径、进料速率不显著。可见，通过方差分析得出的结果与直观分析的结果基本吻合。最终确定制备落叶松树皮生物油最佳喷动循环流化床快速热解工艺条件为：反应温度550 ℃，物料粒径0.2~0.3 mm，进料速率20 r·min^-1，流量25 m³·h^-1。

3 结论

1) 影响落叶松树皮快速热解产物产率的关键因素是反应温度，并在反应温度550 ℃时可获得最大产油率和最低产炭率。

2) 反应温度对生物油产率影响极显著，气体流量影响较显著，物料粒径在0.2~1.2 mm范围内及进料速率在20~50 r·min^-1范围内影响不显著。

3) 在不同工况下，喷动循环流化床快速热解生物油产率均能达到54%以上。

4) 喷动循环流化床制备生物油最佳快速热解工艺条件为：反应温度550 ℃，物料粒径0.2~0.3 mm，进料速率20 r·min^-1，气体流量25 m³·h^-1。