生物質(zhì)焦油熱物理特性研究

第20卷第5期華中農業(yè)大學(xué)學(xué)報2001年10月Joumal of Huazhong Agricultural Universityet.2001,493生物質(zhì)焦油熱物理特性研究張全國徐國強楊群發(fā)李冠峰張澤星李剛徐桂轉河南農業(yè)大學(xué)可再生能源農業(yè)部重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗室,鄭州45000摘要對生物質(zhì)氣化過(guò)程伴生的焦油餾程發(fā)熱量、粘度閃點(diǎn)燃點(diǎn)、碳氫元素含量等熱物理特性進(jìn)行試驗研究,結果表明,生物質(zhì)焦油經(jīng)過(guò)精制分餾后溫度在200℃C以下時(shí)的餾分為輕質(zhì)油分,其閃點(diǎn)和燃點(diǎn)均接近于柴油的閃點(diǎn)和燃點(diǎn),可作為發(fā)動(dòng)機代用液體燃料;在200℃以上時(shí)的餾分為重質(zhì)油分,且發(fā)熱量和粘度隨蒸餾溫度增加而逐漸升高,可作為多種化工原料進(jìn)行資源化高值利用。關(guān)鍵詞生物質(zhì);氣化;焦油;熱物理特性中圖法分類(lèi)號X712生物質(zhì)氣化技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展比較迅速的一種設計開(kāi)發(fā)出高效、適用的生物質(zhì)焦油脫除與綜合利生物質(zhì)熱化學(xué)轉換技術(shù),氣化過(guò)程中伴生的生物質(zhì)用裝置提供重要的科學(xué)參考依據推動(dòng)我國生物質(zhì)焦油經(jīng)凈化系統后,一般均未做任何處理而直接排氣化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)與推廣應用。放不僅會(huì )浪費資源,其中含有的多種有機物如醛類(lèi)醇類(lèi)、酚類(lèi)等還會(huì )對農業(yè)生態(tài)環(huán)境造成不同程度1材料與方法的危害。目前國內外對生物質(zhì)焦油的研究已開(kāi)始1.1原料引起重視但多集中在生物質(zhì)燃氣凈化脫焦技術(shù)與試驗所用的焦油取自河南省新鄭市王畢莊秸稈新型裝置的研究開(kāi)發(fā)上,對其綜合利用技術(shù)領(lǐng)域的氣化集中供氣站,經(jīng)自然干燥后即作為本文中的原研究較少,尤其是有關(guān)生物質(zhì)焦油熱物理特性等方面的研究報道甚少1因此生物質(zhì)焦油的處理以焦油試樣。及資源化利用問(wèn)題是當前生物質(zhì)氣化系統亟待解決1.2試驗方法的重要課題之一,全面了解生物質(zhì)焦油的熱物理特1)焦油餾程測定。餾程測定是指將焦油試樣在性已成為國內外研究生物質(zhì)焦油脫除與綜合利用技加熱襲餾的條件下求出試樣蒸餾溫度與餾出體積術(shù)的基礎性研究工作。本文主要針對焦油的熱物理百分數之間的關(guān)系的實(shí)驗方法餾程是評價(jià)液體燃特性如焦油餾程、焦油各餾分碳氫元素、焦油發(fā)熱料產(chǎn)品蒸發(fā)性大小的主要指標。本文根據國家標準量、焦油粘度焦油閃點(diǎn)及燃點(diǎn)等進(jìn)行實(shí)驗研究,為CB/m2588油產(chǎn)品餾程測定方法)所規定的干爍凈化系統凈化妒凈化管PPO3無(wú)水皮輪化爐電解池高錳酸鎂高氰酸鎂云側了包)速熱E的/熱解“物吸收雜質(zhì)圖1C、H元素測定原理圖Fig. I Schematic view of the measurement of carbon -hydrooeof the tar samoles中國煤化工稿日期:20001222CNMHG河南省九五大科技攻關(guān)項目(編號張全國,男,1958年生教授,工作單位:河南農業(yè)大學(xué)可再能源農業(yè)部重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗室,鄭州400華中農業(yè)大學(xué)學(xué)報第20卷方法進(jìn)行試驗。2)焦油碳氫元素測定。圖1為BCHI型焦油碳2結果與分析氫元素測定儀器示意圖。當把放入試樣的燃燒舟推21不同溫度條件下的焦油蒸餾與冷凝規律至(800±10)℃石英燃燒管后,高溫下試樣燃燒分焦油餾程試驗分別在8個(gè)溫度區域且完全相同解則氫(H)轉化為H2O,碳(C)而轉化為CO2。轉化的試驗條件下各重復進(jìn)行了3次試驗,結果采用3生成的H2O和CO2在干燥過(guò)濾后的氧氣流吹動(dòng)下次試驗結果的平均值如圖2所示經(jīng)過(guò)PQ3鉑電解池,P2O3吸收H10轉化成HO3后由圖2可以看出,當溫度控制在20℃以?xún)葧r(shí),即產(chǎn)生電解反應隨著(zhù)電解的進(jìn)行,HPO3變少,而電冷凝出的餾分為點(diǎn)滴狀,顏色淺,輕質(zhì)油;而當超過(guò)解后的Q2和H排出,P2O3則再生復原200℃時(shí)冷凝出的餾分為絮狀,顏色較重,為重質(zhì)油分。在100℃和200℃左右,餾分量比較大。焦油平均餾分比(y)與溫度(x)相關(guān)關(guān)系的回歸方程為y=-285.17-0.5x3-0.0397x2+6.3121x其相關(guān)系數R=0.9875顯然,由圖2還可以看出,焦油的蒸發(fā)量在100℃左右和200℃左右都比較大。由于在100℃時(shí)的餾分中含有大量的化學(xué)結合水,故焦油的蒸發(fā)量溫度 Temperature/℃主要集中于120℃以上,并在200℃左右呈現峰值。22焦油及其各種餾分試樣的碳、氫元素含量2焦油餾程實(shí)驗曲線(xiàn)燃料中碳氫元素含量是評價(jià)燃料質(zhì)量好壞的兩Fig. 2 The experimental curve of the個(gè)主要參數。碳氫的含量直接影響燃料發(fā)熱量的大distillate range of the tar小和燃燒的難易。一般來(lái)講,燃料中碳氫元素的含H2O由電解池吸收后,CO2則吹入裝有堿石棉量越高燃料的發(fā)熱量就越大。焦油及其各種溫的U形管被吸收劑堿石棉吸收,故焦油碳氫元素含度下餾分試樣的碳氫元素含量試驗結果如圖3和圖量可分別由式(1)和式(2)計算出。4所示。x00%x100%式中:Had—空氣干燥基焦油氫元素含量,%度 Temperature℃m電解后的氫質(zhì)量,mg;圖3氫元素分析實(shí)驗曲線(xiàn)Cad空氣干燥基焦油碳元素含量,%;Fig. 3 The aurve of hydrogen elementa-CO2折算為C的系數,本文中取為02729;mc-堿石棉吸收的CO2質(zhì)量,mg;m一空氣干燥基焦油試樣質(zhì)量,mg。3)焦油發(fā)熱量測定。焦油發(fā)熱量測定參照國家50100150200250漫度 Temperature℃標準GB/T8481(石油產(chǎn)品發(fā)熱量測定方法)規定的方法進(jìn)行。圖4碳元素分析曲線(xiàn)4)焦油粘度測定。焦油粘度根據國家標準GBFig 4 The curve of carbon element126688(石油產(chǎn)品恩氏粘度測定方法)所規定的方曲線(xiàn)圖3和圖4可看出,試樣的含碳量隨餾法,用恩氏粘度計進(jìn)行測定。分溫度中國煤化工發(fā)熱量就大。5)焦油閃點(diǎn)及燃點(diǎn)測定。焦油閃點(diǎn)及燃點(diǎn)測定而含氫CNMHG主要是由于在參照國家標準CBT267-88(石油產(chǎn)品閃點(diǎn)與燃點(diǎn)測100℃左右所蒸發(fā)的餾分中有一定量的水,在進(jìn)行測定方法)所規定的方法進(jìn)行。定的氫元素結果中含有水中的氫元素,故在低溫段第5期張全國等:生物質(zhì)焦油熱物理特性研究表1焦油及其各種餾分試樣的發(fā)熱量Tahe 1 Calorific values of the tr and various distilatesk/kg試樣 Samples原焦油殘餾物210~215℃200-210℃180~200℃160-180140~160℃M0℃Raw tar彈筒發(fā)熱量29110.7936813.0135979.832460.628709.926404.124969.68663.99Calorific value determination in a steel bn高位發(fā)熱量28998.l136728,2335930.932396.2286942644.224926.18635.17Gmes calorific value出現了高的含氫表2焦油及其各種餾分試樣的粘度特性試樣中氫含量(Had)與試樣蒸餾溫度(x)相關(guān)Table 2 Viscosity of the tar and various distillates關(guān)系方程為序號Nder試樣 Samples運動(dòng)粘度 viscosity/m2:g76,2380-0+0.0004x30.1022x2+10.032x-357.21相關(guān)系數R=1120-210℃14.82x10-6試樣中碳含量(Cad)與試樣蒸餾溫度(x)相關(guān)關(guān)系方程為本文所測得的3個(gè)值中,100和10℃餾分的粘ad=-318.4252-0.5x3-0.0218x2+度值都較小,遠遠低于12℃以上所測得的粘度值。粘度是表示液體流動(dòng)時(shí),2個(gè)平行液層之間發(fā)生相關(guān)系數R=0.9933相對運動(dòng)的摩擦阻力大小的指標,即是液體的內摩23焦油及其各種餾分試祥的發(fā)熱量規律擦影響在動(dòng)力蒸發(fā)條件下,液體燃料通常先霧化為焦油及其各種餾分試樣的發(fā)熱量試驗結果億細小的液體顆粒然后再快速蒸發(fā)。燃料的粘度對燃表1。料霧化的質(zhì)量有很大的影響。粘度小的燃料霧化時(shí),可以看出,隨著(zhù)焦油餾分溫度的升高,餾分的彈因為所需克服內摩擦而消耗的力較少,所以霧化時(shí)顆筒發(fā)熱量和高位發(fā)熱量亦越大。餾分在120℃以下粒較細,蒸發(fā)表面增大結果使燃料的蒸發(fā)速度增大。的發(fā)熱量比較低,而在120℃以上的發(fā)熱量則逐反之粘度大的燃料霧化較困難,蒸發(fā)速度較低。所升高。表明焦油在20℃以下的餾分中所含水分量以燃料粘度對發(fā)動(dòng)機的正常工作至關(guān)重要。比較大,而120℃以上的餾分基本不含有水分。本2.5焦油鎦分試樣的閃點(diǎn)及燃點(diǎn)特性文對實(shí)驗數據進(jìn)行非線(xiàn)性回歸處理后得出了不同3種典型焦油餾分試樣的閃點(diǎn)及燃點(diǎn)特性試驗餾分溫度(x)與彈筒發(fā)熱量(Q)和高位發(fā)熱量結果見(jiàn)表3。本文在對焦油的3個(gè)不同溫度餾分的(Q)的回歸方程式分別為閃點(diǎn)及燃點(diǎn)試驗中,溫度小于110℃以下的餾分均無(wú)燃燒現象,在120-160℃溫度段的餾分的試驗閃彈筒發(fā)熱量點(diǎn)和燃點(diǎn)比較接近,而在200℃的餾分閃點(diǎn)和燃點(diǎn)Q=00075x3+3.3212x2-195.72x+29843均接近于柴油的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)。相關(guān)系數R=0.9583。表3焦油餾分試樣的閃點(diǎn)及燃點(diǎn)特性高位發(fā)熱量Table 3tion temperature and flash point of the tar distillatesQgx=-0.007x+3.0983x2-164.07x1181.5序號試樣(餾分閃點(diǎn)燃點(diǎn)相關(guān)系數R=0.9582H中國煤化工ation temperature24焦油餾分試樣的粘度特性CNMHG焦油餾分試樣的粘度試輪結果見(jiàn)表2,測定時(shí)的環(huán)喑溫度為20℃。20左右97496華中農業(yè)大學(xué)學(xué)報第20卷3結語(yǔ)油和生物質(zhì)瀝青增塑劑等。生物質(zhì)焦油外觀(guān)呈黑色粘稠油狀物,是包括烴類(lèi)、酚類(lèi)、酸類(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)、酯類(lèi)等多種有機成分在參考文獻內的復雜混合物。從本試驗結果可知生物質(zhì)焦油1戴林李景明,Ra0amd中國生物質(zhì)能轉換技術(shù)發(fā)展與評蒸餾時(shí),110℃以下的酸水餾分可以和木醋液一道價(jià)北京:中環(huán)境科學(xué)出版社,198進(jìn)行加工利用;110-190℃的輕油餾分的發(fā)熱量和2中國農村能源年鑒編輯委員會(huì )中國農村能源年鑒北京:中國農碳氫元素含量都比較高,粘度閃點(diǎn)及燃點(diǎn)與車(chē)用柴業(yè)出版社,9油基本接近,具有適當的蒸發(fā)性、良好的燃燒性和高李玲.石油及石油產(chǎn)品實(shí)驗方法標準匯編.北京:中國標準出版度的安定性符合發(fā)動(dòng)機對液體燃料的質(zhì)量要求完4王素蘭生物質(zhì)焦油物化特性與燃氣凈化裝置研究{顆上學(xué)位論全可以作為發(fā)動(dòng)機的代用液體燃料:190℃以上的雜文],鄭州:河南農業(yè)大學(xué),0酚油餾分以及殘留物可進(jìn)一步加工制造生物質(zhì)焦油5孔書(shū)軒,生物質(zhì)燃氣凈化系統的研究:[十學(xué)他論文】鄭州:河抗聚劑、生物質(zhì)焦油抗氧劑、工業(yè)雜酚藥用生物質(zhì)焦南農業(yè)大學(xué),99Experimental Study of the Thermophysical Characteristics of Biomass TarZhang Quanguo Xu Guoqiang Yang Qunfa Li Guanfeng Zhang Zexing Li Gang Xu GuizhuanAbstract Thermophysical characteristics such as the distillate range, calorific value, viscosity flash point ignition temperature and content of carbon and hydrogen of the raw tar and tar distillate samples were analyzed the resultsshowed that with condensed distillate the biomass tar is of light color if the temperature is below 200C and the ignitiontemperature and the flash point were almost equal to those of diesel oil. But if the temperature is above 200C the massof the condensed distillate is more than that at other temperatures. The calorific value and viscosity of the distillatevere much and much higher with increase in the temperature of the distillate. It is evident that the distillate of the tarbelow 120C contained more water than above 120C. So, the tar distillates above 120c may be used as the fuels ofnotors. The experimental results provides the resourees-utilizatioof biomass tar derived frum crop stalksKey words biomass, gasification, tar, thermophysical characteristics(責任編輯:楊錦蓮中國煤化工CNMHG