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微波加热技术在生物质能源领域的应用研究进展

摘要：生物质能源是目前世界范围内被认为可替代石油和天然气的新一代清洁能源。生物质能源必须经过转化才能成为可利用的能源，微波加热技术由于加热速度快，热能利用率高特点，在生物质能源利用中起到了重要的推动作用。本文简要介绍了微波加热技术的原理及优势，重点综述了其在生物质能源领域的应用情况，最后对生物质能源未来发展进行了展望。

生物质能源是利用自然界的植物将太阳能以化学能的形式储存起来转化成的能源，物质结构主要为半纤维素、纤维素和木质素，其挥发性高、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，具有能力为可持续的未来能源需求做出实质性贡献的潜力。当生物质能源结构中相邻碳原子、氢原子和氧原子之间的键断开时，化学能就被释放出来。目前，生物质在可再生能源中的贡献最大，林业、农业和城市残留废弃物等均被用作生物质能源的原材料来发电和产热。在欧洲，生物质能源占所有再生能源的62％以上[1-2]。

生物质转化为最终的能源和化学产品一般要经过热化学和生物化学两个主要路径。生物质的转化效率和很多因素有关，原材料种类、数量、采用的加工技术等。虽然生物质能源是最有潜力的可持续发展的清洁能源，但是与化石燃料相比，它的低能量密度和异质性使其在运输和储存上具有较大的难度，而且价格比化石燃料贵很多，此外，其内在组分中的化学成分、水和碱的含量因生物质原料的变化差异很大。这就导致生物质原料需要经过某种前处理，以满足物质转换技术的质量和同质性要求。

因此，前处理成为生物质能源转化的关键因素。传统的前处理方式均是通过热风干燥来实现的，处理时间较长，效率低。微波技术作为高效的热处理方式，具有加热均匀、温度梯度小、无滞后性、微波能利用率高等特点，而且不会产生其他电离辐射，可以对物质进行选择性加热，是生物质前处理新的热点研究方向[2]。本文简要介绍了微波加热预处理的工作原理，重点综述了微波加热在生物质能源领域的应用现状。

1微波加热技术工作原理

微波是频率在300MHz~300GHz范围的电磁波，穿透力极强。为了避免干扰电信和移动手机的频率，微波反应器(通常用于化学合成反应)和国内微波炉的运行频率在2.45M～900MHz。微波对极性分子或者离子作用就会诱导快速加热，微波作用在物质上，可能产生原子极化、分子极化、界面极化和偶极转向极化，其中对物质加热起主要作用的是偶极转向极化[3]。

极性分子的介电常数较大，能与微波较好地耦合，将大部分微波能转化为热能，而非极性分子的耦合作用较弱，能量转化效率就相应较差，为了克服非极性分子的这一缺点，在使用微波加热时，可以借助有机化合物、极性无机盐及含水物质等来加强微波能的吸收和转化。微波加热效果与物质本身的介电特性密切相关，实际上是物质在电磁场中因本身介质损耗而引起体积加热。如果是混合物，微波会选择性进行加热，与传统加热方式相比，微波加热无滞后性，只要无微波能的传导，物质加热就会终止，因此对于加热温度控制要求较高的反应，微波加热的优势特别明显。同时，微波加热能量利用率高于传统加热，被加热的物质升温迅速，对于工业化应用其经济优势非常明显。

微波加热的方向与传统加热方向相反，传统的加热方式是将热量从材料表面(从一个外部热源)通过对流或者辐射而传导到物质内部。微波加热可以被看做是一种能量转换，穿透力极强的电磁波进入材料内部，向四周辐射能量，同步的转化为热能，使被加热物质均匀受热。这种独特的逆向加热具有很多优点，能提高能量转移效率、减少加热时问(实现一个给定的过程温度，几乎是瞬间加热)，有利于加热过程本身的控制，消除了材料表面过热的风险[4-5]。

2微波加热在生物质能源中的应用

相对传统加热技术来说，微波加热技术使用一种独特的加热方法(由内向外加热)，保证加热效率，快速实现目标反应温度。干燥是生物质能源转化的必要条件之一，也是生物质能源转化耗能最大的操作单元之一。干燥的主要目的是减少生物质的含水量，进一步提高能源转化效率，提高产品质量，延长产品的保质期。只有当生物质中的含水量足够低，才能抑制微生物生长，减少酶解的反应和其他副反应。微波加热技术与常规热风干燥相比，热量分布更为均匀，还有研究表明，微波加热干燥生物质可以改善孔隙结构，最终优化生物质原料燃烧性能[6-8]。下面，就微波加热技术在生物质能源中的应用做详细描述。

2.1微波热解生物质制备合成气

热解是生物质热化学转化方式的一种，可以将生物质转化为气、液、固三相产物。但是生物质热解气中携带较多的CO2、CH4、水蒸汽及焦油等，这些物资如果能进一步转化为合成气不仅对生物质定向转化合成气技术本身具有重要意义，而且对于减排温室气体有积极影响。基于微波加热即时性、整体性、选