什麼是熱解？

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介紹

熱解是在沒有氧氣的情況下，在高溫下加熱有機材料的化學降解過程。它與其他過程（如燃燒和水解）不同，後者不涉及新增其他試劑，如氧氣（燃燒）或水（水解）。熱解產生固體（炭）、可凝縮液體（焦油）和永久性氣體。

熱解被認為是氣化或燃燒過程的第一步。這個詞來源於希臘語，其中 pyro 表示“火”、“熱”、“發燒”，lysis 表示“分離”。它也用於將天然氣（甲烷）轉化為氫氣和固體碳炭，最近在工業規模上得到推廣。熱解的應用包括將生物質轉化為合成氣和生物炭，將廢塑膠轉化回可用的油，或將廢物轉化為可安全處理的物質。

自古以來，熱解就被用於將木材轉化為木炭。古埃及人使用從木材熱解中獲得的甲醇進行防腐處理。熱解在許多化學物質的發現中發揮了作用，例如濃縮尿液中磷酸氫銨鈉中的磷、氧化汞中的氧以及各種硝酸鹽。

生物質熱解產生三種產物：液體、氣體和固體。生物油可以用作低檔柴油。生物炭因其改善土壤特性和肥力以及封存碳的潛力而得到推廣。合成氣可以用作天然氣的替代品，或與催化劑一起轉化為乙醇。

熱解系統型別

有兩種型別的熱解系統。

• 快速熱解透過將熱解溫度提高到 1000°C/秒來最佳化生物油的生產。此過程產生大約 60-70% 的生物油、15-25% 的生物炭和 10-15% 的合成氣。

• 慢速熱解使用較慢的加熱速率，生物炭是主要的副產物。在這兩種過程中，系統透過利用合成氣來驅動反應而實現自維持。

一般過程和機制

熱解通常包括將材料加熱到其分解溫度以上，破壞其分子中的化學鍵。碎片通常變成更小的分子，但可能結合形成具有更大分子量的殘留物，甚至無定形共價固體。在氧氣和水的存在下，除了適當的熱解外，還會發生燃燒、水解或其他化學過程。

為了避免化學副反應（燃燒或水解），起始材料可以在真空或惰性氣氛中加熱。真空中的熱解也會降低副產物的沸點，從而提高其回收率。當有機物在敞口容器中以不斷升高的溫度加熱時，通常會發生以下過程，這些過程依次或重疊地發生。

低於 100°C，一些水等揮發物會蒸發。維生素 C 和蛋白質在此階段部分發生變化或分解。

在 100°C 時，剩餘的水會被吸收或排出。在略高的溫度下，捕獲在水合物晶體結構中的水會被排出。一些固體物質，如脂肪、蠟和糖，可能會熔化並分離。

在 100-500°C 之間，許多常見的有機分子會分解。糖在 160-180°C 開始分解。

在 350°C 時，纖維素（木材、紙張和棉織物的主要成分）會分解。分解產物通常包括水、一氧化碳 CO 和/或二氧化碳 CO2，以及許多有機化合物。氣體和揮發性產物以煙霧的形式離開樣品。一些揮發物燃燒產生可見火焰。非揮發性殘留物被稱為“炭化”或“碳化”，含有顏色介於棕色和黑色之間的碳。

在 200-300°C 時，如果氧氣沒有被排除在外，碳質殘留物可能會開始燃燒，幾乎沒有或沒有可見火焰。一旦碳燃燒開始，溫度就會升高，釋放二氧化碳和/或一氧化碳。在此階段，殘留物中的一些氮可能會被氧化成氮氧化物，如 NO2 和 N2O3。硫和其他元素，如氯和砷，也可能在此階段被氧化並揮發。

一旦碳質殘留物的燃燒完成，通常會留下粉狀或固體礦物殘留物（灰燼），由高熔點的無機氧化物質組成。一些灰燼可能在燃燒過程中殘留下來，被氣體作為飛灰或顆粒排放物夾帶。原始物質中存在的金屬通常以氧化物或碳酸鹽的形式殘留在灰燼中，例如鉀鹼。磷（來自骨骼、磷脂和核酸等材料）通常以磷酸鹽的形式存在。

出現和用途

烹飪

焦糖化是食物中糖的熱解。食物會變成棕色並改變風味。熱解在食物準備中有很多應用。

廢物管理

熱解用於處理城市固體廢物和塑膠廢物。主要優點是減少了廢物量。輪胎熱解是一項技術成熟的技術。

熱清洗

熱解用於工業應用中的熱清洗，以去除零件、產品或生產部件（如擠出機螺桿、噴絲頭和靜態混合器）上的有機物質，如聚合物、塑膠和塗層。

焦炭、碳、木炭和炭

碳和富碳材料具有理想的特性，但在高溫下也不易揮發。熱解是用於在預成型的基材上塗覆一層熱解碳的反應。熱解碳塗層用於許多應用，包括人工心臟瓣膜。

液體和氣體生物燃料

熱解是幾種從生物質（即木質纖維素生物質）生產燃料的方法的基礎。合成氣通常由熱解產生。燃料生物油也可以透過水熱解產生。

甲烷熱解制氫

甲烷熱解是一種工業過程，工作溫度約為 1065°C，透過從天然氣中去除固體碳來生產“青色”氫氣。

乙烯

熱解用於生產乙烯，乙烯是在工業上規模最大地生產的化合物。

半導體

矽晶片是透過矽烷的熱解生產的。另一種半導體砷化鎵在三甲基鎵和砷化氫的共熱解時形成。

結論

在古代，熱解被用於將木材轉化為木炭。近年來，熱解正在發展成為一種廢能技術，用於將生物質和塑膠廢物轉化為液體燃料。熱解產物取決於幾個工藝引數，例如溫度、催化劑選擇、加熱速率、載氣、停留時間、塑膠型別、反應器和壓力。

安全是熱解反應器建造和設計過程中的主要關注點之一。反應器應以能夠在高溫和高壓下執行而不會破裂的方式設計。生物油的質量也較低，不能用於所有使用化石燃料的應用。