溫度對竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物特性的影響

第30卷第22期農業(yè)工程學(xué)報VoL 30 No, 222014F 11 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov. 2014 245溫度對竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物特性的影晌陳偉1,楊海平1※,劉標!,李開(kāi)志2,陳應泉,李順1,陳旭1,陳漢平1(1.煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗室(華中科技大學(xué)),武漢430074;2.中國航天科工飛航技術(shù)研究院動(dòng)力供應站,北京100074)摘要:為了實(shí)現竹屑熱解三態(tài)產(chǎn)物品質(zhì)最優(yōu)化,該文硏究了竹屑250~950℃熱解多聯(lián)產(chǎn)的產(chǎn)物分布規律和演變特性,通過(guò)分析焦孔隙結構與分形維數演變規律對竹屑熱解過(guò)程進(jìn)行了探討。結果表明,竹屑在較低溫度下熱解釋放出大量的CO和CO2,同時(shí)生成乙酸、糠醛和酮類(lèi)物質(zhì):450~650℃之間,木質(zhì)素大量分解使得H2和CH4含量上升,液體產(chǎn)物中苯酚類(lèi)物質(zhì)含量迅速增加,并開(kāi)始出現萘、茚等物質(zhì);750℃后揮發(fā)分二次反應加劇,CO相對含量升高。650℃前,生物炭比表面積與總孔容積迅速增大,平均孔徑逐漸減少,表面分形維數和體積分形維數均增大;650℃后,各參數均表現出相反的變化規律。650℃竹屑熱解生物焦具有較好孔隙結構,比表面積可達307.65m3/g。根據竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物分布規律與演變特性,可同時(shí)得到具有較高品質(zhì)的氣、液和固三態(tài)產(chǎn)物有利于實(shí)現竹屑綜合高效利用,為竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)設備的開(kāi)發(fā)與運行提供參考依據關(guān)鍵詞:熱解;孔隙結構;分形維數;竹屑;多聯(lián)產(chǎn);溫度doi:10.3969/is.1002-6819201422.030中圖分類(lèi)號:TK16文獻標識碼:A文章編號:1002-6819(2014)-22-0245-08陳偉,楊海平,劉標,等.溫度對竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物特性的影響[J.農業(yè)工程學(xué)報,2014,30(22):245-252Chen Wei, Yang Haiping, Liu Biao, et al. Effect of temperature on characteristics products derived from bamboo chipspyrolysis based on pyrolytic polygeneration]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringTransactions of the CSAE), 2014, 30(22): 245-252 (in Chinese with English abstract0引言熱解技術(shù)可分為熱解氣化技術(shù)、熱解液化技術(shù)和熱解炭化技術(shù)46。竹材是一種典型的木質(zhì)纖維類(lèi)生物竹子是重要的生物質(zhì)能,中國竹林面積高達質(zhì),其干燥基木質(zhì)素和綜纖維素總量超過(guò)90%,是540多萬(wàn)hm2,每年毛竹的產(chǎn)量相當于木材1000—一種優(yōu)質(zhì)的炭化原料門(mén)。目前對于竹材熱解的研究多萬(wàn)m,占木材年采伐量的15以上口。據統計,主要集中在竹炭制備及應用方面, Krzesinska等8目前竹材綜合利用率僅為35%~40%,廢棄的竹材利用熱重分析儀研究了鐵竹熱解過(guò)程中的失重行物料主要用于生產(chǎn)人工合成板,但由于合成板工藝為,并對不同溫度制備的塊狀鐵竹炭進(jìn)行了物理結過(guò)程中,廢棄物顆粒尺度要求高,且竹類(lèi)物質(zhì)本身構分析,發(fā)現鐵竹熱解的主要溫度區間位于200不易破碎,導致合成板工藝能耗大,廢棄物資源利400℃,熱解溫度超過(guò)600℃之后,焦炭產(chǎn)率趨于穩用率不高,從而需要開(kāi)發(fā)新型、高效、節能的竹材定,而真密度、動(dòng)態(tài)彈性模量和超聲波傳速卻一直廢棄物資源化利用技術(shù)23增加,表明高溫熱解工況下,焦炭?jì)炔拷Y構還在不熱解技術(shù)是生物質(zhì)資源化利用的有效途徑,即斷重組,形成更加穩定的密實(shí)類(lèi)基質(zhì); asada等研在限氧條件下,快速或慢速加熱生物質(zhì)到達一定溫究了不同溫度下制備的竹炭的吸附性能,發(fā)現竹炭度(一般大于350℃),促使生物質(zhì)內有機大分子降對苯和甲苯的吸附能力隨著(zhù)熱解溫度升高而增強,解重構,從而得到可燃氣、生物油和生物質(zhì)炭3種而對氨氣吸附能力則減弱。Jang等研究了毛竹較髙品位的能源產(chǎn)物。根據目標產(chǎn)物不同,生物質(zhì)熱解的氣體產(chǎn)物釋放特性,熱解氣體主要包括H2O、CO2、CO、酸、醛、小分子烴類(lèi)物質(zhì)等,主要釋放基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃973計劃)課題(2010B2N2,的溫度區間為200~375℃。張文標等收集了收稿日期:201407-29修訂日期:2014-11-11國家自然科學(xué)基金資助項目(51376076):公益性行業(yè)(農業(yè))科研專(zhuān)150~350℃(間隔溫度50℃)不同炭化溫度段下產(chǎn)項(201303095)生的竹醋液,并對其理化特性進(jìn)行了分析,結果表作者簡(jiǎn)介:陳偉,男,主要從事生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)研究。武漢華中明竹材炭化各階段產(chǎn)生的液體產(chǎn)物均含有酸類(lèi)、酚科技大學(xué)媒燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗室:43074. Email: chenwei hk(@lc63cm類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)、醇類(lèi)和酯類(lèi)等有機物,而其化學(xué)學(xué)利用研究。武漢華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗室,430074。組分和微量元素含量相差較大,高溫更有利于生成Email:yhping2002(@163.com有機酸類(lèi)物質(zhì)。農業(yè)工程學(xué)報2014年與常規熱解工藝相比,熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)采用多種調控手段,以同時(shí)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)竹炭、可燃氣、竹醋液等高附加值產(chǎn)品為目標,在技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟性屢多多IGC3000上都具有明顯的優(yōu)勢,是竹類(lèi)生物質(zhì)熱解工藝規?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要方向12。本文對竹屑250950℃熱解多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物分布規律與演變特性進(jìn)行了研究,通過(guò)分析焦孔隙結構與分形維數演變規律對竹屑熱解過(guò)程進(jìn)行了探討,有利于同時(shí)得到具有較高品質(zhì)的氣、液和固三態(tài)產(chǎn)物,實(shí)現竹屑綜合高效利用,為竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)設備的開(kāi)發(fā)與運行提供參控制閥門(mén)2.質(zhì)量流量計3.石英玻璃管4.加熱電爐5.坩堝考依據。6.加熱帶7.氣體分析儀8.氣體干燥裝置9.過(guò)濾器10.冷凝瓶11.冰水混合物12.冷凝器13.溫度控制儀1試驗樣品與試驗方法1, valve 2, Mass flow controller 3. Quartz tube 4. Electric furnace5. Crucible 6, Electrical heating belt 7. Gas analyzer 8. Gas drying device1.1試驗樣品9. Filter 10, Condensate bottle 11. Ice-water mixture 12. Condenser13. Temperature controller熱解多聯(lián)產(chǎn)試驗以多年生竹材廢棄物(竹屑)圖1竹屑熱解試驗臺示意圖為研究對象,其工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1。取小ig. I Scheme of pyrolysis reactor system粒徑竹塊,將其破碎、磨細后篩選,為減小傳熱溫1.3熱解產(chǎn)物分析方法差對熱解過(guò)程的影響,試驗選擇粒徑范圍O.125采用美國安捷倫儀器公司生產(chǎn)的便攜式氣相0.178mm的竹屑顆粒作為熱解原料,樣品置于色譜儀( Micro-GC, Agilent3000對竹屑熱解氣體105℃烘箱內烘干(24h)后備用產(chǎn)物進(jìn)行了分析。氣相色譜儀采用A、B雙通道測表1竹屑的工業(yè)分析與元素分析量,其中A通道(MS-5A)以Ar為載氣,設定溫Table 1 Proximate and ultimate analysis of bamboo chi度為95℃,用于測定H2、CH4和CO,B通道(PPQ)工業(yè)分析元素分析Proximate analysis/%Ultimate analysis.低熱值以He為載氣,設定溫度為60℃,用于測定CO2水分揮發(fā)分灰分固定碳heating C2H4和C2H,結果取多次測量的算術(shù)平均值Moisture Volatile Ash Fixed C H N s o value/采用色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析儀(GC-MS)對液體油carbon(MJ kg)中有機組分進(jìn)行分析。熱解油首先使用分析純丙酮6.2280.5723210.8941975.890.270.1543.1816.86注:O由差減計算得到。5%)作為溶劑對冷凝管進(jìn)行沖洗萃取得到,Note: O content was determined by difference然后采用 Agilent公司的7890A5975C型GCMS進(jìn)1.2試驗方法行分析,GC色譜為HB-5型(30m×0.2mm×0.25m)竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)試驗采用固定床反應器,如圖石英毛細管柱,載氣為He,氣化室最高溫度為所示。熱解反應在磨口石英玻璃管中間部位進(jìn)行290℃。GCMS所測得的結果采用儀器自帶的通過(guò)溫度控制儀器設定反應溫度。竹屑樣品采用坩GG1034C軟件參照標準庫進(jìn)行匹配定性分析,以各鍋盛放,堆積厚度不超過(guò)1mm,每次試驗使用量組分的峰面積進(jìn)行半定量分析。采用ASAP2020( Micromeritics)自動(dòng)吸附儀2g左右,采用高純度氮氣(99,99%%)為保護氣流量為200mL/min。石英管出口處纏繞了加熱帶測定竹屑及其熱解焦炭的比表面積和孔隙結構參數。該儀器以高純度氮氣(99.99%為吸附介質(zhì),以避免生物油冷凝在管壁上在液氮飽和溫度7K下對竹屑熱解焦炭樣品進(jìn)行竹屑熱解具體試驗過(guò)程如下:稱(chēng)取2g左右竹靜態(tài)等溫吸附和脫附測定。通過(guò) Brunauer-Emmett-屑,放入小坩堝中。將電爐升至設定溫度(250Telr(BET)方程計算樣品的比表面積,利用350.…、90℃),然后將小坩堝快速地推至反應 Barrett: Joyner-Halenda(BH)模型計算得到平均孔器中部,反應40min后將樣品移至低溫區,冷卻至徑、孔容積和孔徑分布等特性參數。樣品測試前在室溫取出焦炭樣品。竹屑受熱分解后析出的水分和105℃下烘干8h脫水揮發(fā)分在低溫冷凝器內收集,未凝結氣體經(jīng)干燥過(guò)14分形維數的計算濾后使用氣袋收集。熱解三態(tài)產(chǎn)物分別收集后,稱(chēng)分形幾何學(xué)是由法國數學(xué)家 Mandelbrot所創(chuàng )立取焦炭和焦油質(zhì)量,氣體質(zhì)量結合收集的氣體體積的,以具有不規則性質(zhì)的幾何物體為研究對象,能計算得到。竹屑熱解三態(tài)產(chǎn)物被分別妥善保存,用夠對具有不規則復雜孔結構的多孔介質(zhì)進(jìn)行描述,于進(jìn)一步分析。泛應用于煤孔隙結構分析1314。對生物焦孔隙結第22期陳偉等:溫度對竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物特性的影響247構與表面分形特征的變化規律方面的探討對于深400~650℃時(shí)則主要是木質(zhì)素分解的溫度段,此時(shí)化生物質(zhì)熱解過(guò)程的認識具有積極意義。分形維數固體產(chǎn)率緩慢下降,而氣體產(chǎn)率緩慢上升;溫度高的計算方法有多種,本文采用 Avnir和 jaroniecl15于650℃后竹屑基本熱解完全,三態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率變化提出的通過(guò)N2等溫吸附過(guò)程中吸附量與相對壓力不大。關(guān)聯(lián)的方法,方程如下V/Vm=K[In(pop)]由式(1)可得出:生物炭 Bio-charIn(v/vm)=K-rIn[In(pop)Biu-gus式中:V為相對壓力為p/po時(shí)的N2吸附量,mLg其中p為氮氣壓力表讀數,Pa,po為液氮溫度下氮氣的飽和蒸氣壓,Pa;Vm為單層吸附容積,mL/gK為吸附常數;r=3-D,D為分形維數。根據N2等溫吸附試驗中測定的數據與式(2)0000作ln(WVm)→lnln(pop)圖,并進(jìn)行線(xiàn)性擬合,擬合直線(xiàn)的斜率可以確定分形維數D。根據分形理論,溫度 Temperature/C8009001000大多數固體物質(zhì)的孔隙結構都具有分形特征,孔的圖2竹屑熱解三態(tài)產(chǎn)物分布圖Fig 2 Yield distribution of bamboo chips pyrolysis不規則性在不同空間尺度上都是相似的6。分形維數反映了孔隙結構的不規則程度,其值介于2到322竹屑熱解氣體產(chǎn)物特性之間,該值越大,表明不規則程度超高竹屑熱解氣體產(chǎn)物分布特性如圖3所示。從圖中可以看出,熱解溫度較低(250~350℃)時(shí),不2試驗結果與討論凝氣成分主要為CO和CO2;隨著(zhù)溫度的升高2.1竹屑熱解三態(tài)產(chǎn)物分布特性(350~750℃),CO2含量快速下降,H2含量則逐熱解是生物質(zhì)中有機成分發(fā)生熱分解、揮發(fā)分漸增加,CO小幅下降后保持穩定,CH4稍有增加逐步析出的過(guò)程1。圖2為不同熱解溫度下竹屑熱后變化不大;溫度進(jìn)一步升高(750~950℃),除解產(chǎn)物產(chǎn)率分布圖。隨著(zhù)熱解溫度的升高,固態(tài)產(chǎn)H2含量稍有增加外,其他成分基本保持穩定。250物產(chǎn)率從250℃時(shí)的60.23%迅速下降至450℃時(shí)的350時(shí)主要是半纖維素與纖維素的分解,而半纖2671%,此溫度段內竹屑快速失重,表明此階段竹維素是由單糖構成的多聚體,纖維素則由大分子多屑發(fā)生了劇烈的熱解反應:溫度進(jìn)一步升高焦炭產(chǎn)糖組成,二者受熱時(shí)分子鏈中的糖苷鍵迅速裂解,率變化較小,從450到650℃焦炭產(chǎn)率從2671%緩生成大量的CO和CO2,同時(shí)含甲基支鏈的脫甲慢下降至1907%,而650℃之后焦炭產(chǎn)率基本不變,基反應生成了少量的CH,H12含量則幾乎為0。從這表明竹屑熱解反應主要發(fā)生在650℃之前。不凝150℃開(kāi)始,木質(zhì)素開(kāi)始大量分解,而木質(zhì)素是氣產(chǎn)率在250-650℃溫度段內隨著(zhù)溫度的升高迅種由聚合的芳香醇構成的芳香性高聚物,大量芳香速增加,溫度達到650℃后產(chǎn)率變化不大,保持在烴環(huán)的斷裂及重整反應使得H2含量迅速上升,甲45%左右,溫度高于850℃后氣體產(chǎn)物再次增加,氧基官能團與烴基支鏈的斷裂也使得CH4含量開(kāi)始這可能是由于熱解油在高溫下發(fā)生二次裂解生成大幅增加:CO含量小幅下降,這一方面是由于小分子氣體造成的。液體油產(chǎn)率在較低溫度區(250~350℃)內產(chǎn)率從1976%增加到33.22%,隨后基本保持不變,而在850℃后由于發(fā)生二次裂0600Low heating value解反應使得產(chǎn)率有所下降Yang等研究了生物質(zhì)3組分熱解過(guò)程,發(fā)現半纖維素在220~315℃已經(jīng)發(fā)生分解,而纖維素分E>聯(lián)解主要在315~400℃,400℃時(shí)木質(zhì)素才開(kāi)始大量分解。竹材是纖維素和木質(zhì)素含量較高的禾本類(lèi)植物,其半纖維素、纖維素和木質(zhì)素3種主要成分的2003004005006007008009001000溫度 Temperature/℃含量分別為1881%、46.50%和25.72%。熱解溫度圖3竹屑熱解氣體產(chǎn)物分布圖低于400℃時(shí),纖維素與半纖維素大量分解產(chǎn)生了Fig3 Compositions of bio- gas derived from pyrolysis of大量的氣態(tài)與液態(tài)產(chǎn)物,使焦炭產(chǎn)率快速降低bamboo chil農業(yè)工程學(xué)報2014年些帶羥基、羰基的分子的重整和異構化繼續釋放岀素的部分分解使得苯酚及其衍生物含量有所增加;CO,另一方面則由于其他產(chǎn)物的稀釋,CO2由于稀溫度進(jìn)一步上升,液體油成分越來(lái)越復雜,除木質(zhì)釋效應的存在比重迅速下降。溫度高達750℃后,素大量分解導致含苯環(huán)類(lèi)化合物的含量繼續大幅除高溫使得揮發(fā)分二次裂解加劇釋放出更多H2外,增加外,反應過(guò)程也變得更加復雜,特別是在溫度其余各成分含量基本不變,說(shuō)明此時(shí)熱解已基本完高于650℃后,芳香族物質(zhì)的脫氫反應使得液體產(chǎn)成。熱解氣體的低位熱值隨著(zhù)熱解溫度的升髙而持物中岀現了萘、茚等含CC烯鍵苯環(huán)結構的化合續增加,在950℃時(shí)有最大值11.44MJ/m物,這與 Vassilatos等和 Brage等有一致的結2.3竹屑熱解液體產(chǎn)物特性果。熱解油從以氣態(tài)揮發(fā)分形式自生物質(zhì)顆粒內受熱解溫度對竹屑熱解油成分與含量的影響很熱析岀開(kāi)始,到最終在冷凝器內凝結成液態(tài)產(chǎn)物為大,各溫度下熱解油具體組成特性見(jiàn)表2。竹屑在止,所經(jīng)歷的反應過(guò)程是非常復雜的,高溫下析出250℃低溫熱解時(shí),主要發(fā)生的是半纖維素的分解,的重質(zhì)成分發(fā)生的二次裂解與重整反應會(huì )顯著(zhù)影此時(shí)液體產(chǎn)物中主要含有乙酸、2-呋喃甲醇、羥基響生物油的形成,同時(shí)在生物質(zhì)成分中具有較高含丙酮和一些小分子化合物,其中乙酸相對含量達量的堿金屬也會(huì )對生物油裂解起到催化作用,這53.74%;250~450℃為纖維素分解的主要溫度段,方面使氣態(tài)產(chǎn)物增多,另一方面也使生物油成分愈熱解油中開(kāi)始出現糠醛和戊烯類(lèi)化合物,同時(shí)木質(zhì)加復雜。表2竹屑熱解生物油的組成特性Table 2 Organic components in liquid product derived from pyrolysis of bamboo chips化合物名稱(chēng)相對含量 Relative content%Organic component250℃350℃450℃550℃650℃750℃850℃950℃乙酸53,7432,1733.5438.722羥基丙酮2.330.760.4l0.140.122-環(huán)戊烯-1-酮1.62糠醛2,173.392-呋喃甲醇6茚0.652-甲基苯酚1.084-甲基苯酚2.19102-甲氧基苯酚2.3624392l!1-甲基茚2.332.33132-甲氧基4甲基苯酚0.150.640.8414苯并呋喃5.442.170.63l.12162-甲基萘26-二甲氧基苯酚5682.762.554-羥基-3-甲氧基苯甲酸0.11192-甲氧基-4-(1-丙烯基)苯酚,6-二甲氧基4(2-丙烯基)苯酚02.021.792.4竹屑熱解固體產(chǎn)物特性致的;隨著(zhù)p/po的增加,曲線(xiàn)呈水平狀,表明微孔2.4.1竹屑及其熱解焦炭吸附特性填充完成;在接近飽和壓力時(shí),吸附量快速增加,竹屑原樣及其在不同熱解溫度下得到的焦炭這是因為焦炭微粒之間存在縫隙,發(fā)生了類(lèi)似于大的等溫吸附脫附曲線(xiàn)如圖4所示。根據國際純粹與孔的毛細凝聚現象。從圖4可以看出,竹屑熱解焦應用化學(xué)聯(lián)合會(huì )對物附等溫線(xiàn)分類(lèi)2,圖4a中的炭的吸附量均大于竹屑原樣,表明熱解過(guò)程中,由等溫吸附曲線(xiàn)為Ⅱ型等溫線(xiàn),呈S型。在較低pP于焦炭?jì)炔繐]發(fā)分的釋放,形成復雜孔隙結構。隨處岀現一個(gè)拐點(diǎn),表明焦炭?jì)瓤紫锻瓿蓡畏肿訉游?zhù)熱解溫度的升高,熱解焦炭的吸附量呈現先增加附;在接近飽和壓力(po為1)時(shí),吸附量急劇后減少的趨勢,這是由于焦炭中微孔數量先增加后增加,這是因為介孔和大孔內發(fā)生了毛細凝聚。圖減少導致的,表3中微孔比表面積及其所占總比表4b中的等溫吸附曲線(xiàn)為Ⅰ型等溫線(xiàn)。在較低p/面積的比例呈現先增加后減少的趨勢,也印證了該區域,氣體吸附量增長(cháng)迅速,這是由于微孔填充導結論。第22期陳偉等:溫度對竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物特性的影響249樣品 Samples溫度下(250~450℃),焦炭比表面積從1055m/gH OBC升高到40.36m2/g,總孔容積從0.0005189mL/g增BC350至0.008141mL/g,增加速度緩慢,主要是半纖維BC450BC950素和纖維素分解,對焦炭結構破壞不明顯,還沒(méi)有形成發(fā)達的孔隙結構。溫度進(jìn)一步升高(550~℃),550℃時(shí)比表面積聚增到21117m2/g,總4蕭學(xué)孔容積劇增至0.0012923mL/g,平均孔徑減小為246nm,這是由于木質(zhì)素開(kāi)始大量分解,焦炭?jì)炔繐]發(fā)分大量析出,焦炭結構發(fā)生明顯改變,微孔數量驟增,形成發(fā)達的微孔結構,平均孔徑變小;在對壓力 Relative pressure pa.原樣及250、350、450、950℃下制得的樣品650℃時(shí),比表面積和總孔容積達到最大值,分別a. Original bamboo chips and bio-char derived at2350.450and950℃為307.65m3/g和0.0016416mL/g,其中微孔比表面積所占比例達83.14%,平均孔徑僅為2.11mm。高一BC550-BC650BC750-BC850溫下(750~950℃),比表面積從19826m/g降低至1982m2/g,總孔容積也從0001296mLg下降到00002698mLg,主要原因可能是出現了灰分熔融現象,部分孔坍塌或閉合。WMAA-AFAALA-+A4-AAAAAMAA表3竹屑熱解焦炭孔隙特性Table 3 Pore characteristics of bio-char derived frompyrolysis of bamboo chips比表面積微孔比表面積樣品 Specific Specific surface Micro/SBET/ Total pore,孔徑相對壓力 Relative pressure pp,amples surface areao volume v Diameterb.550、650、750、850℃下制得的樣品(m g) Micro/(m2g")b Bio-char derived at 250. 350. 450 and 950COBC24.120.0260426.3注:OBC和BC250分別表示竹屑原樣和熱解溫度為250℃制備的竹屑31.750.0518919.88熱解焦炭,其他編號命名方式一樣,下同。BC35016.3739.280.03239963Note: OBC and BC250 represent the original bamboo chips and bio-charBC45040.3643.780.0814Iderived from pyrolysis of bamboo chips at 250C, respectively. Others haveBC550211165.9178340.12923246the same naming method. Same as below.圖4竹屑及其熱解焦的吸附/脫附等溫線(xiàn)BC650307.65BC750198,26Fig. 4 Adsorption-desorption isotherms of bio-char derivedBC850714349.270.080364.54from pyrolysis of bamboo chips如圖4所示,在較高p/po區域,竹屑原樣及其注:OBC和BC250分別表示竹屑原樣和熱解溫度為250℃制備的竹屑熱解焦炭的脫附曲線(xiàn)與吸附曲線(xiàn)發(fā)生了分離,出現熱解焦炭,其他編號命名方式一樣。Note: OBC and BC250 represent the original bamboo chips and bio-char遲滯回線(xiàn)。根據國際純粹與應用化學(xué)聯(lián)合會(huì )對遲滯 derived from pyrolysis of bamboo chips at20c, respectively, Others have回線(xiàn)類(lèi)型的分類(lèi),圖4中竹屑原樣及低溫熱解焦 the same naming methoc炭的遲滯回線(xiàn)屬于H3型,表明孔隙結構主要由狹竹屑熱解焦孔面積分布如圖5所示。根據國際縫孔構成,較低的熱解溫度對焦炭結構破壞較小。純粹與應用化學(xué)聯(lián)合會(huì )對孔的分類(lèi),按孔的寬度分圖4b中的遲滯回線(xiàn)屬于H4型,表明焦炭中主要是為3類(lèi)23:小于2m的為微孔,介于2~50m之錐形孔,熱解溫度升高,大量揮發(fā)分析出,形成了間的為介孔,大于50mm的為大孔。從圖5中可以復雜的孔隙結構?？闯?隨著(zhù)熱解溫度的升高,微孔范圍內的比表面孔徑分布與比表面積積發(fā)生了明顯的變化,先增加后減小,表明微孔數比表面積、孔容積和平均孔徑是表征固體表面量先增大后減小;介孔范圍內的比表面積小幅度先形態(tài)的重要參數2,表3給出了竹屑熱解過(guò)程中這增后減,2~4m的介孔數量增幅明顯,而4~50m些物理量隨熱解溫度的變化情況。竹屑原料的比表的數量變化幅度不大;大孔范圍內比表面積變化不面積和總孔容積較小,分別為427m2/g和顯著(zhù),說(shuō)明大孔數量基本保持不變。以上分析表明,0.0002604mLg,而平均孔徑很大,為26.37m。當熱解溫度低于650℃時(shí),隨著(zhù)溫度的升高,揮發(fā)隨著(zhù)熱解溫度的升高,焦炭的比表面積和總孔容積分大量析出,比表面積逐漸增大,微孔數量驟增,先增加后降低,而平均孔徑先減少后增加。在較低所作貢獻急劇増加,650℃時(shí)達到最大值。當熱解農業(yè)工程學(xué)報2014年溫度高于650℃時(shí),灰分熔融導致部分微孔閉合微孔數量減少,介孔所占比例有所上升。所有溫度下,大孔數量幾乎可以忽略。0.35一BC550一BC650BC750+BC850In[In(pop)注:D1和D2分別表示表面分形維數和體積分形維數。V為相對壓力為ppo時(shí)的N2吸附量,mLg,其中p為氮氣壓力表讀數,Pa,p為液氮溫度下氮氣的飽和蒸氣壓,Pa;V為單層吸附容積,mLg。下同。念Note: D, and D2 represent the surface fractal dimension and volume fractaldimension, respectively. Same as below. l is the adsorption amount wherthe relative pressure is pipo, mL, g. where p is the reading of the nitrogenpressure gauge, Pa, Po is the saturated vapor pressure of nitrogen at liquid孔直徑 Pore diameter/mmnitrogen temperature, Pa: Vm is the monolayer adsorption amount, mLg圖5竹屑熱解焦孔面積分布Same as below圖6650℃竹屑熱解焦顆粒的分形維數擬合Fig 5 BET specific surface area distribution of bio-charderived from pyrolysis of bamboo chipsFig 6 Fractal dimension of bio-char derived from pyrolysis ofbamboo chips at650℃2.5熱解焦炭孔隙結構分形特性演變規律一比表面積圖6給出的是根據式(2)計算竹屑650℃熱解Specific surface焦顆?？紫督Y構分形維數的擬合結果。從圖中可以看出,在不同壓力區間內存在2個(gè)不同的線(xiàn)性段,表明在不同壓力范圍內焦炭具有不同的分形特征,從而有2個(gè)不同的分形維數D1和D2,這2個(gè)不同的分形維數以pp0=0.37為界,表明可以采用這250個(gè)分形維數值對顆粒在整個(gè)吸附段內的分形特征進(jìn)行描述。在氮氣等溫吸附/脫附試驗中,當ppo02004006008001000較小(<0.37)時(shí),N2在固體表面主要發(fā)生的是單分子層吸附,此吸附過(guò)程反映的是固體顆?？紫侗韴D7竹屑熱解焦BET比表面積與分形維數面分形特征;當p/0提高后(037~0.99),焦Fig 7 BET specific surface area and fractal dimension ofbio-char derived from pyrolysis of bamboo chips顆粒內部孔隙開(kāi)始逐步由小孔向大孔發(fā)生毛細凝從圖7中還可以看出,熱解溫度750℃之前,聚,此階段是對焦炭?jì)炔靠臻g逐步填充的過(guò)程,在D2均大于D1,說(shuō)明此階段以孔的生成與擴容為主此吸附段內計算得到的分形維數表征的是固體顆孔隙空間結構的生長(cháng)較表面粗糙度的增長(cháng)更為劇粒體積分形特。由此可見(jiàn),分形維數D和D2烈:750℃之后,D2小于D,此階段各孔徑孔隙開(kāi)可分別用來(lái)表征竹屑熱解焦炭顆?？紫兜谋砻婧褪既诤?焦顆?？紫稖p少,空間結構趨于均勻,而體積分形特征。由于孔隙的破碎,表面粗糙度的降低程度則較小從圖7給出的竹屑及其熱解焦孔隙表面分形維由以上分析可知,竹屑及其熱解焦顆?？紫督Y構具數隨熱解終溫變化曲線(xiàn)可以看出,竹屑焦顆?？紫队锌紫侗砻媾c空間體積雙重分形特征,分形維數與表面分形維數D1和體積分形維數D2均呈現出先增熱解溫度密切相關(guān),且與其比表面積之間存在相大后減小的趨勢,與SBEr的變化趨勢有一定的類(lèi)關(guān)性。似。竹屑原樣分形維數值較小,接近2,說(shuō)明竹屑顆?？紫恫话l(fā)達,各孔徑孔隙分布均勻,表面比較3結論光滑。熱解溫度650℃以下,D1和D2均隨著(zhù)熱解本文對竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物分布規律與演變溫度的升高而逐漸增大,各孔徑孔隙大量生成,孔特性進(jìn)行了研究,得出的主要結論如下隙結構的復雜程度有所增加,孔表面趨于更加粗1)隨著(zhù)熱解溫度的升高,竹屑熱解焦炭產(chǎn)率糙。溫度高于650℃以后,孔表面發(fā)生塑性變形而持續降低,650℃后變化不大;氣體產(chǎn)率先上升后變得光滑,孔隙結構趨于均勻,D1和D2均開(kāi)始逐趨緩,高溫下有小幅上升;液體產(chǎn)率僅高溫下有小步下降。幅下降。竹屑熱解三態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率變化主要是由于第22期陳偉等:溫度對竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物特性的影響3組分分別在不同溫度下熱解和揮發(fā)分二次裂解引product upgrading[J]. Biomass and Bioenergy, 2012, 38起的。熱解溫度為650℃時(shí),可實(shí)現竹屑熱解三態(tài)產(chǎn)物品質(zhì)最優(yōu)化。5 Paradela F, Pinto F, Ramos A M, et al. Study of the slowbatch pyrolysis of mixtures of plastics, tyres and forestry2)竹屑熱解氣體產(chǎn)物主要由H2、CH4、CObiomass wastes]. Journal of Analytical and AppliedCO2等組成,低溫熱解(250~350℃)時(shí)纖維素與Pyrolysis,2009,85(12):392-398半纖維素分解主要釋放CO和CO2,450℃后木質(zhì)素6 deTour. IIrods I, Masson., et al. Synthesis gas分解使得H2含量迅速上升,CH4隨著(zhù)溫度升高而緩temperature on product distribution]. Internatio慢上升。液體產(chǎn)物中有機成分主要由乙酸、糠醛Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(4): 1726-1734呋喃、酮類(lèi)、醛類(lèi)、苯酚等物質(zhì)等組成,溫度升高[] Krzesinska m, Zacharias. Muszynski J.eta.The時(shí)木質(zhì)素分解使苯酚及其衍生物含量迅速增加,溫thermal decomposition studies of solid iron bamboo( Dendrocalamus strictus): Potential precursor for度高于650℃后開(kāi)始出現萘、茚等含C=C烯鍵苯環(huán)eco-materials[]. Bioresource Technology, 2008, 99(11)結構的化合物5110-51143)竹屑熱解焦炭具有較為連續完整的孔隙系S1 zesinska, achariasz J. The effect of pyrolysis統,且顆粒內部存在多種形態(tài)的孔。隨著(zhù)熱解溫度carbons derived from solid iron bamboo[J]. Journal of的升高,比表面積與孔容積先迅速增大而后逐漸減Analytical and Applied Pyrolysis, 2007, 80(1): 209-215小,平均孔徑則先減小后增大。竹屑熱解焦炭中孔[9 Asada T,, Ishihara. Yamane 1,etal. Science of bamboo隙結構經(jīng)歷了先逐漸發(fā)達,而后各孔徑孔隙趨于均charcoal: Study on carbonizing temperature of bamboocharcoal and removal capability of harmful gases]勻的變化過(guò)程,650℃左右制得的竹屑焦具有較好Journal of Health Science, 2002, 48(6): 473-479的孔隙結構,比表面積可達30765m2/g。[10 Jiang Zehui, Liu Zhijia, Fei Benhua, et al. The pyrolysis4)竹屑熱解焦炭孔隙結構具有孔隙表面與空characteristics of moso bamboo[J]. Journal of Analytical間體積雙重分形特征,隨著(zhù)熱解終溫的升高,竹屑and Applied Pyrolysis, 2012, 94: 48-52[1]張文標,李文珠,方偉,等,不同收集溫度的竹醋液焦表面分形維數和體積分形維數均先增大后減小組分及形成過(guò)程分析.竹子研究匯刊,2009表征了焦炭孔隙先逐步增加而后逐漸減小的過(guò)程27(4):竹屑熱解多聯(lián)產(chǎn)同時(shí)得到具有較高品質(zhì)的氣、Zhang Wenbiao, Li Wenzhu, Fang Wei, et al. a study on液和固三態(tài)產(chǎn)物,有利于實(shí)現對竹屑綜合高效的利bamboo vinegar components and their formation process用。具有一定熱值的熱解氣,可作為居民炊事燃氣at different collection temperature[J] Journal of BambooResearch, 2009, 27(4): 44-49.(in Chinese with English富含大量乙酸的生物油,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工處理可用abstract)作化工原料;具有發(fā)達孔隙結構的生物焦,可作為121 Yaman s. Pyrolysis of biomass to produce fuels and吸附劑或土壤改良劑等。chemical feedstocks[J]. Energy ConversionManagement,2004,45(5):65l-67[13 Wang Xiaoliang, He Rong, Chen Yongli. Evolution of[參考文獻porous fractal properties durining coal devolatilization J]竇營(yíng),余學(xué)軍,中國竹子資源的開(kāi)發(fā)利用現狀與發(fā)展Fuel,2008,87(6878-884對策[J.中國農業(yè)資源與區劃,2011,32(5:65-70[14 Hu Song, Li Min, Xiang Jun, et al. Fractal characteristicDou Ying, Yu Xuejun. The current situation andof three Chinese coals J]. Fuel, 2004, 83(10): 130countermeasures of bamboo resource development and1313utilization of China[J]. Chinese Journal of Agricultural [15 Avnir D, Jaroniec M An isotherm equation for adsorptionResources and Regional Planning, 2011, 32(5): 65-70on fractal surfaces of heterogeneous porous materials[J](in Chinese with English abstract)Langmuir,1989,5(6):1431-1433[2]唐永裕.竹材利用現狀及開(kāi)發(fā)方向探討門(mén).竹子研究[16 Dobrescu gi berger D, Papa F,eta. Fractal dimensions匯刊,2001,20(3):36-43of lanthanum ferrite samples by adsorption isothermTang Yongyu. Research on present situation andmethod[J] Applied Surface Science, 2003, 220(1): 154exploiting direction of bamboo usage]. Journal ofBamboo Research, 2001, 20(3): 36-43(in Chinese with [17] Mohan D, Pittman C U, Steele P H. Pyrolysis ofEnglish abstract)wood/biomass for bio-oil: A critical review[J]. Energy[3]張建,汪奎宏,李琴,等.我國竹材利用率現狀分析fuels,2006,20(3):848-889與建議林業(yè)機械與木工設備,2006,34(8)Yang Haiping, Yan Rong, Chen Hanping, et al. In-depthZhang Jian, Wang Kuihong, Li Qin, et al. Status analysisinvestigation of biomass pyrolysis based on three majorand suggestions for bamboo utilization rate in China[JIcomponents: Hemicellulose, cellulose and lignin[JForestry Machinery Woodworking Equipment, 2006,Energy& Fuels,2006,20(1):388-3934 ( 8): 7-10. (in Chinese with English abstract)[19Vassilatos V, Taralas G, Sjostrom K, et al. Catalytic[4] Bridgwater A V. Review of fast pyrolysis of biomass andcracking of tar in biomass pyrolysis gas in the presence of52農業(yè)工程學(xué)報2014年calcined dolomite[J]. The Canadian Journal of ChemicalYang Haiping, Chen Hanping, Chen Yingquan, et alEngineering,1992,70(5):1008-1013Investigation on the forming property of palm oil shel[20 Brage C, Yu, Q, Sjostrom K. Characteristics of evolutionchar physicochemical structure during biomassof tar from wood pyrolysis in a fixed-bed reactor]. Fuelpyrolysis[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(32)1996,75(2):213-2196-110.(in Chinese with English abstract)[21]劉輝,吳少華,孫銳,等,快速熱解褐煤焦的比表面[23] Sing K, Haul r. Reporting physisorption data for積及孔隙結構門(mén).中國電機工程學(xué)報,2005gas/solid system[J]. Pure and Applied Chemistry, 1985,25(12):86-9057(4):603-619Liu hui, Wu Shaohua, Sun rui,etal. Specific area and24]胡松,向軍,孫路石,等谷殼熱解過(guò)程中顆?？紫秔ore structure of lignite char under the condition of fast結構分形特性J化工學(xué)報,2008,59(9):2322-2327pyrolysis[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(12)Hu Song, Xiang Jun, Sun Lushi, et al. fracta86-90. (in Chinese with English abstract)characteristics of rice husk/char particles prepared by[22]楊海平,陳漢平,陳應泉,等.熱解過(guò)程中棕櫚殼焦pyrolysis process[J] Journal of Chemical的物化結構演變特性[.中國電機工程學(xué)報,2008Engineering(China), 2008, 59(9): 2322- 2327.(in28(32):106-110Chinese with English abstract)Effect of temperature on characteristics products derived frombamboo chips pyrolysis based on pyrolytic polygenerationChen Wei, Yang Haiping, Liu Biao', Li Kaizhi, Chen Yingquan', Li Shun, Chen Xu', Chen Hanping(1. State Key Laboratory of Coal Combustion(Huazhong University of Science& Technology), Wuhan 430074, chine2. The Power Supply Station of CASIC Cruise Technology Academy, Beijing 100074, China)Abstract: Bamboo is one of the most important forestry resources, and a large amount of waste is produced during itsutilization, such as bamboo chips and tailing. To improve the recycling of bamboo waste, pyrolysis technology forpolygeneration was employed. The experiment was carried out in a fixed bed reactor at 250-950C, and the effect oftemperature on products yields, compositions and characteristics was investigated. Micro-GC(3000, Agilent, USA)andGC-MS(7890A/5975C, Agilent, USA) were used to analyze the compositions of bio-gas and bio-oil, respectively. Theevolution of bio-char structure was studied with automatic adsorption equipment(ASAP 2020, Micromeritics, USA)vianitrogen adsorption at 77 K. The specific surface area was calculated from the adsorption isotherms using theBrunauer-Emmett-Teller(BET)equation. The pore size distribution was estimated by the Barrett-Joiner-Halenda(bjhmethod from the desorption isotherms. In addition, the fractal theory was applied to characterize the fractal properties ofpore structure of bio-char. With the temperature increasing, bio-char yield was decreased and bio-gas yield wasincreased significantly, while bio-oil yield was not changed much. Change of products yields was mainly due to thethree components(hemicellulose, cellulose, and lignin) decomposing at different temperatures, and volatiles secondarycracking at high temperature. Bio-gas was mainly composed of H2, CH4, CO, and CO2. Cellulose and hemicellulosedecomposed at lower temperature, which resulted that CO and cO2 were released. After the temperature increased over450C, lignin began to decompose, and the content of H2 rose sharply, while the content of CH4 rose slowly. After750C, volatiles secondary cracking intensified to release more H2. Liquid oil mainly consists of acetic acid, furfuralfuran, ketone, aldehyde, and phenol. At 250C, hemicellulose decomposed predominantly, which generated acetic acid,2-furanmethanol, hydroxyacetone, and small molecular organic compounds. When the pyrolysis temperature wasappeared. With the lignin decomposed, phenol class materials increased quickly, while indene and naphthalene appearedafter 650C. The N2 absorption-desorption isotherms showed that bio-char pore structure was slits pore at lowertemperature in comparison with conical pore at higher temperature. With the temperature increasing, the bet specificsurface area and pore volume of bio-char increased significantly first, and then decreased gradually. However, the trendof the mean pore size was reversed. This phenomenon could be explained by that the number of microporessignificantly increased with the removal of volatiles in bio-char, and some of them might be blocked as a result of ashmelting at high temperature. At 650C, the BEt specific surface area and pore volume reached the maxima(307.65 m/g and 16.416 mL/g, respectively), while the mean pore size was the minimum(2. 11 nm). Besides,micro-pores accounted for about 83%. The pore structure of bio-char had doubled fractal characteristics with the poresurface and pore volume. With the increase of pyrolysis temperature, both the surface fractal dimension and volumefractal dimension firstly increased and decreased later Surface fractal dimension and volume fractal dimension reachedthe highest value(2.93 and 2.97, respectively) at 650C. This phenomenon reflected that the pore structure of bio-chardeveloped gradually and then tended to be uniformity.Key words: pyrolysis; pore structure; fractal dimension; bamboo chips; poly-generation; temperature