生物质热解是将木质纤维素类原料在隔绝氧气的条件下快速加热，使其分解为生物油、不可凝气体与焦炭的过程。反应器型式与供热方式直接决定产物分布与后续制氢效率。目前工业界主流的四种反应器——鼓泡/喷动流化床、循环流化床、烧蚀涡流床与旋转锥反应器——各具特色，已进入中试或示范阶段。

二、鼓泡/喷动流化床反应器

结构与特点

• 床层温度均匀、易于放大，可处理密度较大的块状原料，但对粒径要求严格（通常＜2 mm）。

• 主产物为液体（70–75 %），副产焦炭 15 % 左右，其余为不凝气。

• 焦油含量高，需串联多级旋风分离器或静电除尘器快速脱焦，以保护下游催化剂。

工业进展

• 加拿大滑铁卢大学首创，Union Fenosa 在西班牙建成 200 kg/h 中试装置；Dynamotive 在加拿大运行 75 kg/h、400 kg/h 两条线，并放大至 100 t/d 与 200 t/d 商业化装置。

• 英国生物质能工程公司 250 kg/h、芬兰 Metso-UPM-VTT 4 MWth、安徽理工大学 600 kg/h 喷动床等相继投运。

图1：鼓泡流化床反应器（带静电除尘器）

三、循环流化床反应器

结构与特点

• 固体循环倍率高，焦炭与气相停留时间接近，气相停留短，焦油夹带量大，生物油含焦量高，后续改质负担重。

• 焦炭在二次燃烧室燃烧，加热循环砂再返回床层，实现间接供热，系统热效率较高。

工业进展

• 加拿大 Ensyn 伦弗鲁示范装置 2 t/h，美国威斯康星州 1.7 t/h，工厂级规模达 1000 t/d。

图2：循环流化床反应器

四、烧蚀涡流反应器

结构与特点

• 原理区别于传统“颗粒-气体”传热：生物质在离心力作用下压向高温壁面，热量通过壁面传导，反应速率仅受压强、壁温与相对滑移速度控制，可处理大颗粒原料。

• 液体产率 60–75 %，焦炭在壁面形成油膜，既润滑又二次蒸发，提高收率。

工业进展

• 美国 NREL 1995 年首台实验室装置；英国阿斯顿大学板状烧蚀反应器油收率达 75 %；德国北部 2006 年建成 6 t/d 示范，正设计 50 t/d 装置。

图3：英国阿斯顿大学热解反应器

五、旋转锥反应器

结构与特点

• 内外同心锥结构：内锥固定，外锥旋转；生物质与热砂在离心力作用下沿锥壁螺旋上升，通过砂-生物质密度差实现快速换热与磨损热解。

• 无需载气，升温速率高，气相停留时间短，液体产率约 70 %；但轴旋转功耗大，砂粒磨损严重，维护成本较高。

工业进展

• 荷兰 Twente 大学与 BTG 集团 1989 年联合开发；马来西亚 2005 年运行 250 kg/h 示范装置，同年 50 t/d 放大装置投入运行。

图4：旋转锥反应器

六、小结与展望

四种反应器中，鼓泡/喷动床与循环流化床技术成熟度最高，已出现 100 t/d 级商业化装置，适合与现有炼厂或制氢站耦合；烧蚀涡流床因可处理粗颗粒、低粉碎能耗，对原料适应性最佳，但设备放大与耐磨材料仍是瓶颈；旋转锥结构紧凑、油收率高，适用于分布式生物油-制氢联产，然而机械磨损与电耗问题亟待突破。

未来研究将集中在以下方向：

高效低耗在线脱焦与除尘技术，降低生物油含焦量，提升后续催化制氢稳定性；

耐高温、耐磨蚀新材料的开发，延长烧蚀与旋转锥反应器连续运行周期；

反应器-燃烧室-换热器耦合优化，实现系统自热平衡与副产高品位蒸汽；

模块化放大策略，建立 500–1000 t/d 超大型装置的设计准则与智能控制体系，为生物质热解-制氢产业链提供规模化、经济化的核心装备。