什么是热解？

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介绍

热解是在没有氧气的情况下，在高温下加热有机材料的化学降解过程。它与其他过程（如燃烧和水解）不同，后者不涉及添加其他试剂，如氧气（燃烧）或水（水解）。热解产生固体（炭）、可凝缩液体（焦油）和永久性气体。

热解被认为是气化或燃烧过程的第一步。这个词来源于希腊语，其中 pyro 表示“火”、“热”、“发烧”，lysis 表示“分离”。它也用于将天然气（甲烷）转化为氢气和固体碳炭，最近在工业规模上得到推广。热解的应用包括将生物质转化为合成气和生物炭，将废塑料转化回可用的油，或将废物转化为可安全处理的物质。

自古以来，热解就被用于将木材转化为木炭。古埃及人使用从木材热解中获得的甲醇进行防腐处理。热解在许多化学物质的发现中发挥了作用，例如浓缩尿液中磷酸氢铵钠中的磷、氧化汞中的氧以及各种硝酸盐。

生物质热解产生三种产物：液体、气体和固体。生物油可以用作低档柴油。生物炭因其改善土壤特性和肥力以及封存碳的潜力而得到推广。合成气可以用作天然气的替代品，或与催化剂一起转化为乙醇。

热解系统类型

有两种类型的热解系统。

• 快速热解通过将热解温度提高到 1000°C/秒来优化生物油的生产。此过程产生大约 60-70% 的生物油、15-25% 的生物炭和 10-15% 的合成气。

• 慢速热解使用较慢的加热速率，生物炭是主要的副产物。在这两种过程中，系统通过利用合成气来驱动反应而实现自维持。

一般过程和机制

热解通常包括将材料加热到其分解温度以上，破坏其分子中的化学键。碎片通常变成更小的分子，但可能结合形成具有更大分子量的残留物，甚至无定形共价固体。在氧气和水的存在下，除了适当的热解外，还会发生燃烧、水解或其他化学过程。

为了避免化学副反应（燃烧或水解），起始材料可以在真空或惰性气氛中加热。真空中的热解也会降低副产物的沸点，从而提高其回收率。当有机物在敞口容器中以不断升高的温度加热时，通常会发生以下过程，这些过程依次或重叠地发生。

低于 100°C，一些水等挥发物会蒸发。维生素 C 和蛋白质在此阶段部分发生变化或分解。

在 100°C 时，剩余的水会被吸收或排出。在略高的温度下，捕获在水合物晶体结构中的水会被排出。一些固体物质，如脂肪、蜡和糖，可能会熔化并分离。

在 100-500°C 之间，许多常见的有机分子会分解。糖在 160-180°C 开始分解。

在 350°C 时，纤维素（木材、纸张和棉织物的主要成分）会分解。分解产物通常包括水、一氧化碳 CO 和/或二氧化碳 CO2，以及许多有机化合物。气体和挥发性产物以烟雾的形式离开样品。一些挥发物燃烧产生可见火焰。非挥发性残留物被称为“炭化”或“碳化”，含有颜色介于棕色和黑色之间的碳。

在 200-300°C 时，如果氧气没有被排除在外，碳质残留物可能会开始燃烧，几乎没有或没有可见火焰。一旦碳燃烧开始，温度就会升高，释放二氧化碳和/或一氧化碳。在此阶段，残留物中的一些氮可能会被氧化成氮氧化物，如 NO2 和 N2O3。硫和其他元素，如氯和砷，也可能在此阶段被氧化并挥发。

一旦碳质残留物的燃烧完成，通常会留下粉状或固体矿物残留物（灰烬），由高熔点的无机氧化物质组成。一些灰烬可能在燃烧过程中残留下来，被气体作为飞灰或颗粒排放物夹带。原始物质中存在的金属通常以氧化物或碳酸盐的形式残留在灰烬中，例如钾碱。磷（来自骨骼、磷脂和核酸等材料）通常以磷酸盐的形式存在。

出现和用途

烹饪

焦糖化是食物中糖的热解。食物会变成棕色并改变风味。热解在食物准备中有很多应用。

废物管理

热解用于处理城市固体废物和塑料废物。主要优点是减少了废物量。轮胎热解是一项技术成熟的技术。

热清洗

热解用于工业应用中的热清洗，以去除零件、产品或生产部件（如挤出机螺杆、喷丝头和静态混合器）上的有机物质，如聚合物、塑料和涂层。

焦炭、碳、木炭和炭

碳和富碳材料具有理想的特性，但在高温下也不易挥发。热解是用于在预成型的基材上涂覆一层热解碳的反应。热解碳涂层用于许多应用，包括人工心脏瓣膜。

液体和气体生物燃料

热解是几种从生物质（即木质纤维素生物质）生产燃料的方法的基础。合成气通常由热解产生。燃料生物油也可以通过水热解产生。

甲烷热解制氢

甲烷热解是一种工业过程，工作温度约为 1065°C，通过从天然气中去除固体碳来生产“青色”氢气。

乙烯

热解用于生产乙烯，乙烯是在工业上规模最大地生产的化合物。

半导体

硅芯片是通过硅烷的热解生产的。另一种半导体砷化镓在三甲基镓和砷化氢的共热解时形成。

结论

在古代，热解被用于将木材转化为木炭。近年来，热解正在发展成为一种废能技术，用于将生物质和塑料废物转化为液体燃料。热解产物取决于几个工艺参数，例如温度、催化剂选择、加热速率、载气、停留时间、塑料类型、反应器和压力。

安全是热解反应器建造和设计过程中的主要关注点之一。反应器应以能够在高温和高压下运行而不会破裂的方式设计。生物油的质量也较低，不能用于所有使用化石燃料的应用。