熱解條件對沙棘枝干熱解產(chǎn)物的影響

第37卷第3期.華北電力大學(xué)學(xué)報VoL 37 ,No.32010年5月Journalof North China Electric Power UniversityMay ,2010熱解條件對沙棘枝干熱解產(chǎn)物的影響何正斌，伊松林,姚雪莉，于雪斐(北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京1008)摘妻:以沙棘枝干為試驗試材，在熱解終點(diǎn)溫度分別為450 C、600心和750 C ,平均升溫速率為150 C/h的熱解條件下，對沙棘枝干進(jìn)行熱解處理,并對產(chǎn)物沙棘炭和沙棘堞氣進(jìn)行了測定和分析。研究結果表明:在選定的試驗條件下，沙棘炭的得率和沙棘煤氣的產(chǎn)量的平均值分別為28. 34%、157.45 L/g,且隨著(zhù)熱解溫度的開(kāi)高，沙棘炭的得率呈下降趨勢，而沙棘煤氣的產(chǎn)量呈上升趨勢。通過(guò)對所得試驗數據的回歸分析，得出了實(shí)際生產(chǎn)中獲得最大效益的溫度條件。關(guān)鍵詞:沙棘枝干;熱解;沙棘炭;沙辣煤氣中圖分類(lèi)號: TQ353.4+1文獻標識碼: A文章編號: 1007-2691 (2010) 03 -0084 -04Effects of different pyrolytic condition on pyrolysisyield of hippophae branchHE Zheng-bin, YI Song-lin, YAO Xue-li, YU Xue-fei(School of Material Science and Tehnology , Beijing Forestry University, Beijing 10083, China)Abstract: This paper takes the hippophae branches 8 experimental materials , under thee conditions that the ulimatetemperatures repectively are 450C , 600C and 750C，the average heating rate is 150C/h, caries on the pyrolyz-ing, then the hippophae carbon and hippophae gas were analyzed. The results show that: under the designated experi.mental conditions that along with pyrolysis temperature's elevetion, the hippophae carbon asumes the trend of decrea-sing, but the hippophae gas assumes the trend of ecalation, and the average rate of hippophae carbon and hippophaegas respetively are 28. 34%、157. 45 Lg Finally, based on regression analysis of the data, the rlationship betweenthe temperature and fficiency was received.Key words: hippophae branch; pyrolysis; hippophae carbon; hippophae gas0.引言目前有關(guān)于沙棘枝千資源的規?；幂^為少見(jiàn)，除了在農村當作燃料使用外，幾乎沒(méi)有其中國是世界上沙棘資源最豐富的國家，沙棘它的利用途徑，在沙棘資源中，枝干所占比例又具有耐寒，耐旱，耐輕度鹽堿等特點(diǎn)",所以集是相當大的一部分，如果只把這些資源當作燃料中分布在青藏高原、黃土高原及新疆維吾爾自治使用，是一個(gè)很大的浪費[4-7]。為了充分利用沙區，遍及東北、華北、西北、西南等13個(gè)省棘枝干資源，并且提高其附加值，將其從低品位區"]，資源總面積達200多萬(wàn)hm'，沙棘果實(shí)有的生物質(zhì)能轉換為高品位的能源8]，研究沙棘枝非?？捎^(guān)的藥用價(jià)值)，但是進(jìn)人老齡的沙棘林干的熱解及其產(chǎn)物的特性就顯得尤為重要。在沙樹(shù)勢衰弱，易感染病蟲(chóng)害,必須進(jìn)行有計劃的平棘枝干的熱解過(guò)程中，其熱解產(chǎn)物可分為三種, :茬更新復壯。.分別為固態(tài)產(chǎn)物沙棘炭、液態(tài)產(chǎn)物一 沙棘醋液和氣態(tài)產(chǎn)物一沙棘煤氣。 在文獻[9]中，收稿日期: 2009 -08 - 10.已經(jīng)對沙棘醋液做了詳細的分析，本文主要針對基金項目:北京市教育委員會(huì )共建項目“京郊農作物秸稈炭化過(guò)沙棘炭和沙棘煤氣進(jìn)行研究。程及產(chǎn)物的應用研究”。第3期何正斌，等:熱解條件對沙棘枝千熱解產(chǎn)物的影響85定的試驗條件，開(kāi)始熱解試驗，由于沙棘熱解過(guò)1設備及方法程中的炭化階段會(huì )大量放熱，此階段的溫度不能控制，因此升溫速率以平均數值計。試驗結束后，1.1 材料及設備記錄沙棘炭的重量以及沙棘煤氣的體積，用沙棘(1)試驗材料炭的重量及沙棘煤氣的體積除以沙棘枝干的初重，沙棘枝干采集于河北豐寧縣。將沙棘枝干伐則可計算出沙棘炭的得率和沙棘煤氣的產(chǎn)量。后，先捆扎，然后用鼓式削片機削片，經(jīng)氣干處2.1熱解條件對沙棘炭的影響規律理使其平均含水率降至15%以下后待用。2.1.1熱解條件對沙棘炭得 率的影響(2)試驗設備如圖2所示，為熱解溫度對沙棘炭得率的影小型熱解設備、AS-703型孔徑一孔容分布響關(guān)系曲線(xiàn)。由圖2中可見(jiàn)，在選定的試驗條件儀、XRY-1A數顯氧彈式熱量計;具蓋瓷坩堝、下， 隨著(zhù)熱解溫度的升高，沙棘炭的得率呈下降高溫電爐(馬福爐)、分析天平(精確到趨勢。在熱解溫度分別為450C、600C和750C0.1mg)。其中小型熱解設備的釜體直徑為:時(shí)，沙棘炭的得率分別為29. 67%，28. 16%，220mm,深度為300mm,電加熱器功率為7.5kW。27. 19%，平均值為28. 34%，沙棘炭得率的比值如圖1所示，為試驗用小型熱解設備的原理圖。分別為1.09:1.03:1。29.529 t本27.527 t也道26.5-2625.5450600750熱解溫度/C+沙棘炭2不同熱解溫度下沙棘炭的得率 (V= 150 C/h)1.釜體2.釜內溫度傳感器3.醋液冷凝器4.氣液分離裝置Fig 2 The yield of Hippophae cearbon under diferent5.濕式氣體流量計6.水洗裝置7.釜外溫度傳感器prolysis temperature (V =150 C/h)8.電加熱器9.爐體圍1小型熱解設備原理圖2.1.2熱解條件 對沙辣炭性能的影響Fig 1 Mustrative diagram pyrolysis laboratory-scale plant(1)熱解條件對沙棘炭含碳量的影響沙棘炭含碳量的測定方法參見(jiàn)國標《木炭和1.2 試驗方法(1) 在熱解終點(diǎn)溫度分別為450 C .600 C和木炭試驗方法》GB/T17664- 1999 的規定進(jìn)行。750 C ,平均升溫速率為150 C/h,保溫時(shí)間為1 h沙棘熱解的最高溫度，對沙棘炭灰分、揮發(fā)分及的熱解條件下對沙棘枝千進(jìn)行熱解處理。固定碳的含量具有決定性影響。如圖3所示，為(2)將不同熱解條件下得到沙棘熱解產(chǎn)物作熱解條件對沙棘炭灰分、揮發(fā)分、固定碳含量的為研究對象，對沙棘炭和沙棘煤氣的量進(jìn)行了檢影響關(guān)系曲線(xiàn)。測;并利用AS - 703型孔徑一孔容分布儀對沙棘炭由圖3可見(jiàn)，沙棘炭中灰分的含量是隨著(zhù)熱的比表面積進(jìn)行測定，利用XRY- 1A數顯氧彈式解溫度的升高而增加，這主要是因為熱解終點(diǎn)溫熱量計對沙棘炭的熱值進(jìn)行測量。度的升高有利于在熱解過(guò)程中炭化程度的提高和揮發(fā)成分的減少，導致灰分含量隨熱解溫度的升2結果與分析高略有上升，而揮發(fā)分的含量則相反，它隨著(zhù)熱解溫度的增加而減少，同時(shí)說(shuō)明在熱解過(guò)程中揮首先將沙棘枝干稱(chēng)量并記錄初重后，放人不發(fā)分的含量與熱解終點(diǎn)溫度有著(zhù)明顯的關(guān)系。沙銹鋼釜體中。根據小型熱解設備的操作步驟和擬棘炭中所 占成分比例最大的是固定碳，在所選定86華北電力大學(xué)學(xué)報2010年90p知，沙棘炭的熱值大于標準煤的熱值。80-如果將沙棘炭作為煤的替代品，制成高品位史60-燃料，不僅充分利用了沙棘枝干，提高其價(jià)值,新50一又由于沙棘炭在燃燒中熱效率高且不產(chǎn)生SO2等氣體，減少了環(huán)境的污染，沙棘資源豐富，再生.30力強，其開(kāi)發(fā)前景廣闊。20 t2.2熱解條件對沙棘煤氣產(chǎn)量的影響如圖4所示，為熱解溫度對沙棘煤氣產(chǎn)量的450750熱解溫度/C影響關(guān)系曲線(xiàn)。由圖4中可見(jiàn)，在選定的試驗條+灰分一揮發(fā)份士含碳量件下，隨眷熱解溫度的升高，沙棘煤氣的產(chǎn)量呈圖3熱解溫度對沙棘炭各成分含量的影響(V=150 C/h)上升趨勢，在熱解溫度分別為450 C,600 C和Fg3 The impact on the content of Hippophae carbon under750 C時(shí)，沙棘煤氣的產(chǎn)量分別為146. 42 Lkg,different pyrolysis temperature (V=150 C/h)159. 25 L/kg,166. 67 L/kg,平均值為157.45 L/kg,沙棘煤氣產(chǎn)量的比值分別為1:1. 09:1.14。.的試驗條件下，其固定碳的含量隨著(zhù)熱解溫度的升高相應的增加。在熱解溫度分別為450 C,600 C和750C時(shí)，沙棘炭的含碳量分別為己160-82. 07%，83. 64%，84. 02%，平均值為83. 24%。新155-(2)熱解條件對沙棘炭比表面積的影響50 t沙棘炭的吸附性能是對其進(jìn)-一步開(kāi)發(fā)利用的45-重要指標之一。其測定方法是采用日本產(chǎn)AS -140703型孔徑一孔容分布儀檢測，以甲醇作為吸附135L600質(zhì)，用修正的開(kāi)爾文公式運算。熱解溫度/心沙棘炭比表面積的測試結果表明:隨著(zhù)熱解士沙棘煤氣溫度的升高，沙棘炭的比表面積呈上升趨勢。當圈4沙棘煤氣產(chǎn)量圍熱解終點(diǎn)溫度分別為450C,6009C和750C時(shí)，Fig4 The yied of Hippophae gas figure沙棘炭比表面積的測量值分別為192， 207,247 m2/g,平均值為215.33 m'/go按照國際理論與通過(guò)對沙棘炭、沙棘煤氣的測定和分析以及應用化學(xué)聯(lián)合會(huì )IUPAC建議活性炭孔隙大小( 俗對文獻[9]的參考，得出在不同的熱解條件下，稱(chēng)孔直徑D)分別為微孔、過(guò)渡孔和大孔三類(lèi)，這三種產(chǎn)物的得率是不-樣的，為了指導實(shí)際生微孔為<2 nm,過(guò)渡孔為2 nm~50 nm,大孔為>產(chǎn)，以最低成本獲得最高利潤，對三種產(chǎn)物之間50nm。試驗數據表明，沙棘炭中的孔隙以微孔的關(guān)系進(jìn)行分析是很有必要的，本次采用origin軟件對所得數據進(jìn)行擬合，如公式1 ~3所示。為主。f(t);=1.2x10~82 -0.022 67t +37.44 (1)(3)熱解條件對沙棘炭熱值的影響沙棘炭的熱值是作為燒烤或冶煉金屬用炭時(shí)f(t)2=-1.6x10-52 -0.025 71+36.17 (2)的一-項重要的理化指標，它實(shí)際上是沙棘這一生f(1),=-1. 202x10-*2 -0. 2121+75.47 (3)物有機體在能量轉換過(guò)程中貯存能量的大小。上式中f(t)1 f(t)2、f(t);分別表示沙棘炭本研究是利用XRY -1A數顯氧彈式熱量計對(%)、沙棘醋液(%)的得率和沙棘煤氣的產(chǎn)量沙棘炭的熱值進(jìn)行測量。當熱解終點(diǎn)溫度分別為(L/kg); t為表示熱解終點(diǎn)溫度(C)。450C,600C和750C時(shí)，沙棘炭熱值的測量值在實(shí)際生產(chǎn)中假設沙棘炭的價(jià)值為a,沙棘分別為33 161. 9,32 283. 06,31 106 59 J/g,試驗測醋液的價(jià)值為b,沙棘煤氣的價(jià)值為c，那么總價(jià)定沙棘炭熱值的平均值為32 183. 85 J/go對比標煤值f，可由公式(4)計算。.f=a.f(t); +b.f(t)2 +e.f(t)3=的熱值7 000 keal/kg =7000 x4.18 =29260 J/g可第3期何正斌，等:熱解條件對沙棘枝干熱解產(chǎn)物的影響87(1.2a-1.6b-12.02c)x10-52 +為a,沙棘醋液的價(jià)值為b,沙棘煤氣的價(jià)值為c時(shí),( -0.022 67a +0.025 7b +0.212c)1+當取熱解溫度= -0.022 67a -0.025 76-0.212 x(37. 44a +36. 17b +75.47c)(4)2 4a -3.2b -24. 04e由公式(4)可見(jiàn)，當10時(shí)，可以獲得最大的收益。-0. 022 67a -0. 025 76 -0. 212cx10°時(shí)，得參考文獻:2.4a -3.2b-24.04c到的熱解產(chǎn)物的產(chǎn)值最大。[1]馬志強.沙棘資源的開(kāi)發(fā)利用[J]. 陜西林業(yè)科技，2004，(1): 70-72.3結論與討論[2]金正道.沙棘的特性和產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)現狀[J].國土綠化，2005, (1): 40.(1)熱解條件對沙棘炭的研究表明:在選定[3] 土小寧，安寶利，許濤，等.沙棘開(kāi)發(fā)利用的前景[J]. 陜西林業(yè)科技，2004, (2): 71 -74.的試驗條件下，隨著(zhù)熱解溫度的升高，沙棘炭的[4] 張茂松、沙棘開(kāi)發(fā)利用展望[J]. 特種經(jīng)濟動(dòng)植物，得率呈下降趨勢，而固定碳含量、比表面積呈上2005, (5): 20-21.升趨勢。熱解終點(diǎn)溫度分別為450C,600C和[5]包永平，王景余，孫德學(xué)，等.沙棘平茬復壯更新技750C時(shí)，沙棘炭的得率分別為29.67%，術(shù)研究[J].防護林科技，2004, 5 (3): 14, 20.28. 16%，27. 19%，平均值為28.34%;沙棘炭的[6] 邰源臨.沙棘枝干制造人造板的研究[J]. 國際沙含碳量分別為82. 07%，83. 64%，84. 02%，平均棘研究與開(kāi)發(fā)，2003, 9(1): 27- 30. .值為83. 24%;沙棘炭的比表面積分別為192,[7]賈玉，王偉，王海平，國內外沙棘開(kāi)發(fā)研究進(jìn)展207，247 m/g,平均值為215.33 m2/go 沙棘炭的[J]. 科技情報開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟，2005，15 (14): .127 -128.平均熱值為32 183. 85 J/g, 大于標煤的熱值。(2)熱解條件對沙棘煤氣的研究表明:在選[8]胡建忠沙棘作為農村能源植物開(kāi)發(fā)的可行性分析[J]. 國際沙棘研究與開(kāi)發(fā)，2004， 12(4): 36-定的試驗條件下，隨著(zhù)熱解溫度的升高沙棘煤氣42.的產(chǎn)量呈上升趨勢，熱解終點(diǎn)溫度分別為450 C、9]姚雪莉等.熱解條件對沙棘醋液得率及其組分的影響600 C和750 C時(shí)，沙棘煤氣的產(chǎn)量分別為[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009, 31 (1): 51-55.146.42 L/kg, 159. 25 L/kg, 166.67 L/kg,平均值為157.45 L/kg。作者簡(jiǎn)介:何正斌(1984-), 男，碩士研究生，主要研究方(3)實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中，在假定沙棘炭的價(jià)值向為木材化學(xué)加工。(上接第83頁(yè))[15] Nagano K, Ogawa K, Mochida T, et al. Peromance of[17] 項立成，趙玉文，羅運俊.太陽(yáng)能的熱利用[M].heat charge/ discharge of magnesium nitrale hexahydrate北京:宇航出版社，1998.and magnesium chloride hexabhydrate mixture to a single[18] Farid M M，Khudhair A M，RazackSAK, etal. Avertical tube for a latent heat storage Bystem [J]. Ap-review on phase change energy storage: materials andplied Thermal Enginering, 2004， 24 (2 - 3):applications [J]. Energy Conversion and Management,209 -220.2004, 45 (9-10): 1597 - 1615.[16] Tr A. An experimental and numerical invesigation of[19]鐘志剛。相變蓄能結構能量存儲與釋放規律的數學(xué)heat transfer during technical grade paraffin meling and模型研究[D]. 西安:西安交通大學(xué), 2001.solidification in a shell and tube lalent themal energystorage unit [J]. Solar Energy, 2005, 79 (6):作者簡(jiǎn)介:馮小江(1984-). 男，碩士研究生，主要研究方648 -660.向為木材干燥。