生物質(zhì)木屑熱解特性研究

第1期煤質(zhì)技術(shù)2010年1月生物質(zhì)木屑熱解特性研究楊宗仁,李小亮,邊文(煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工研究分院,北京100013)摘要:通過(guò)生物質(zhì)木屑在管式熱解爐內熱解行為的研究,詳細考查了樣品的熱解產(chǎn)物產(chǎn)率、熱解氣組成及溫度對熱解氣產(chǎn)率和熱解氣組成的影響,得出了生物質(zhì)木屑樣品的基本干餾特性。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)木屑;熱解;焦油中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1007-7677(2010)01-0043-03Research of pyrolysis characteristics of biomass chipYANG Zong-ren, LI Xiao-liang, BIAN WenBeijing Research Institute of Coal Chemistry, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)Abstract: The pyrolysis behavior of biomass chip in tube- type pyrolysis furnace was researched, the yield of pyrolysis productscomposition of pyrolysis gas and the influence of temperature were studied in detail, and the basic distillation characteristics ofbiomass chip was obtainedKey words: biomass chip; pyrolysis; tar1生物質(zhì)概況兼容性等特點(diǎn),同時(shí)生物質(zhì)組成也是碳氫化合物因而生物質(zhì)的特性和利用方式具有與煤和石油很大生物質(zhì)不僅是一種物質(zhì)資源,而且也是一種潛的相似性,可以充分利用已發(fā)展起來(lái)的常規能源技在的能源資源,是人類(lèi)未來(lái)能源和化學(xué)原料的重要術(shù)開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能。同時(shí)與礦物燃料相比,生物來(lái)源之一。生物質(zhì)是太陽(yáng)能最主要的吸收器和儲存質(zhì)的揮發(fā)組分高,碳活性高,含硫和灰分都比較低器。太陽(yáng)能照射到地球后,一部分轉化為熱能,因而,生物質(zhì)利用過(guò)程中SO2、NO2的排放量小部分被植物吸收,轉化為生物質(zhì)能。轉化為熱能的與煤等礦物燃料相比具有一定的環(huán)境效益優(yōu)勢。太陽(yáng)能能量密度很低,不容易收集,只有少量被人但是,由于生物質(zhì)的多樣性和復雜性,其利用類(lèi)所利用(如太陽(yáng)能熱水器,太陽(yáng)能蓄電池),其技術(shù)遠比化石燃料要復雜和多樣。表1為部分生物它大部分存于大氣和地球中的其它物質(zhì)中;生物質(zhì)質(zhì)發(fā)熱量與化石燃料發(fā)熱量對比。通過(guò)光合作用,能夠把太陽(yáng)能富集起來(lái),儲存在有機物中。通過(guò)燃燒反應和光合作用兩個(gè)逆過(guò)程的匹表1部分生物質(zhì)與化石燃料的發(fā)熱量對比配,生物質(zhì)能形成了完整的循環(huán)。生物質(zhì)能利用閉項目發(fā)熱量/MJ·kgl循環(huán)過(guò)程如圖1所示。木質(zhì)生物質(zhì)(含水率60%)木質(zhì)生物質(zhì)(含水率15%)17※稻草·稻糠(含水率30%)11.42排出Co生物質(zhì)畜禽排泄物(含水率80%)吸收cO,「下水道污泥(含水率99%)0.16曾單高品質(zhì)能源食品廢棄物(含水率90%)0.36設備廚房垃圾(含水率90%)作肥料生物質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程轉換利用過(guò)程ecH中國煤化工圖1生物質(zhì)能利用閉循環(huán)過(guò)程CNMHG生物質(zhì)能與常規能源相比,具有潔凈、分布天然氣(LNG)廣、利用形式多、與現代工業(yè)技術(shù)和生活具有很強乙醇第1期煤質(zhì)技術(shù)2010年1月從表1中可以看出,大部分生物質(zhì)與化石燃料熱解實(shí)驗工藝參數如下相比,其發(fā)熱量要低幾倍甚至幾十倍;另外,生物樣品粒度:0.5~0.9mm質(zhì)分布分散,收集和運輸成本高,難以實(shí)現集屮處惰性載氣:N理,而分散處理則存在技術(shù)效率低、規模小、經(jīng)濟載氣流量:0.3~0.4L/min效益差等問(wèn)題,成為目前生物質(zhì)大規模推廣使用的壓力:常壓主要難題,而若能開(kāi)發(fā)出生物質(zhì)與其它常規能源溫度:200,300,400,500,600,700,800℃(如煤炭)共同利用的技術(shù),則將對解決生物質(zhì)的升溫速率:10℃/min推廣應用具有重要推動(dòng)作用。恒溫時(shí)間:60min2實(shí)驗樣品選擇與分析3實(shí)驗方法對選用的樣品破碎制樣,進(jìn)行分析化驗:木屑實(shí)驗開(kāi)始前將樣品加入到水平熱解反應管中,裝(白松加工廠(chǎng)鋸末)樣品化驗項目有工業(yè)分析、元置如圖2所示,先用N2將系統內空氣吹凈,然后啟素分析、全水分、發(fā)熱量、全硫和CO2反應性,動(dòng)程序升溫控制儀,控制升溫速度為10℃/min,分析化驗結果見(jiàn)表2和表3達到設定熱解溫度再恒溫1h。熱解過(guò)程產(chǎn)生的氣衰2生物質(zhì)木屑工業(yè)分析態(tài)物質(zhì)經(jīng)冷凝冷卻,水和油被冷凝分離,氣體經(jīng)流量計量后進(jìn)儲氣袋。實(shí)驗結束后,待熱解反應器自然降至常溫,取出半焦稱(chēng)重,并將之密封保存以備%1-8M·kg氣化實(shí)驗用;氣體取樣進(jìn)氣相色譜分析儀進(jìn)行組分6.15.551.7673.8818.8118.41分析;冷凝瓶?jì)鹊慕褂?、水?jīng)甲苯萃取后蒸餾分離,得出各自的產(chǎn)物產(chǎn)率。通過(guò)實(shí)驗可獲得煤樣的熱解表3生物質(zhì)木屑元素分析產(chǎn)物半焦、焦油、水、氣的產(chǎn)率及熱解氣的組成。實(shí)驗結果46.465.3440.45實(shí)驗取得了大量實(shí)驗數據,經(jīng)整理熱解實(shí)驗結生物質(zhì)木屑樣品的基本特征是:全水分含量并果見(jiàn)表4。不高,灰分特低,特高揮發(fā)分(Vd為79.71%),生物質(zhì)木屑主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中等發(fā)熱量;焦渣特征指數(CRC)顯示樣品受熱種主要組成物及一些可溶于極性或弱極性溶劑的時(shí)無(wú)黏結和膨脹,樣品的熱解實(shí)驗結果也證明了此提取物組成。生物質(zhì)的三種主要組成物常常被假設特點(diǎn);低硫,硫形態(tài)主要是有機硫;CO2反應活性獨立地進(jìn)行熱分解,半纖維素主要在225℃~350℃較高。分解,纖維素主要在325℃~375℃分解,木質(zhì)素在5中國煤化工1一高壓氣瓶;2一穩壓減壓閥;3—氣體流量計;4-CNMHG7—冷凝冷卻器;8-冰浴;9—濕式氣體流量計;10-儲氣袋;11-氣相色譜儀圖2熱解實(shí)驗裝置流程第1期煤質(zhì)技術(shù)2010年1月表4生物質(zhì)熱解各產(chǎn)率、熱解氣體組成及熱值熱解溫度/半焦產(chǎn)率/油產(chǎn)率/水產(chǎn)率/氣產(chǎn)率/氣體組分/%密度/低位熱值/LCHacOCnHkgNm3MJ·Nm346.459.0537.550.058.8416.9928.4943.252.4329.700.119.8022.4028.6235.463.721.3021.2524.860.1610.1916.3632.3739.621.4631.2015.85290.1916.3320.0526.2835.721.6128.45154530.300.2013.361631.2637.201.738.4012.7739.7636.322.75027.0818.4018.770:256.5410.1841.2440.501.5411.32250℃~500℃分解。半纖維素和纖維素主要產(chǎn)生揮熱解氣組分總的規律是CO和CO2含量要遠高發(fā)性物質(zhì),而木質(zhì)素主要分解為炭。一般纖維素在褐煤熱解氣,H2組分含量隨溫度升高是先升后木材屮平均占約43%。生物質(zhì)木屑的熱分解過(guò)程降,在500℃時(shí)含量最高。CH4總體趨勢是200℃可分為以下三個(gè)階段:以后隨溫度升高而下降。烴類(lèi)組分CnH含量要小第一階段(室溫~100℃)是干燥階段,生物于褐煤,主要與兩樣品的組成成分有關(guān)。質(zhì)中的水分蒸發(fā),只發(fā)生物理變化生物質(zhì)木屑的熱解過(guò)程大致可以分為四個(gè)階第二階段(100℃~380℃)是揮發(fā)分析出階段,即干燥階段、預熱階段、揮發(fā)分析出階段和段,有機物劇烈分解,析出大量生物油和CH、碳化階段。熱解反應大約在200℃時(shí)開(kāi)始,在CO2、CO、H、C2H及不和烴等氣體,生物半300℃~500℃的時(shí)候熱解反應最為劇烈,產(chǎn)生大量焦碳含量增加的液體和氣體。相同的溫度下,生物質(zhì)熱解氣體中第三階段(>400℃)是半焦化階段,析出大CH和H2的體積含量要比褐煤熱解氣體中的低量CH4和H2等小分子氣體,不揮發(fā)的固體殘余物而煤熱解產(chǎn)物中的CO2和CO體積成分要比生物質(zhì)變成半焦狀的殘渣,一般不生成膠質(zhì)體,且無(wú)黏結熱解氣中的低,其原因可由兩樣品的元素組成差異現象。加以解釋。木屑樣品熱解產(chǎn)物產(chǎn)率和熱解氣組成隨溫度變化的規律曲線(xiàn)如圖3和圖4所示5結語(yǔ)半焦產(chǎn)率·油產(chǎn)率通過(guò)對生物質(zhì)木屑在管式熱解爐內熱解行為的水產(chǎn)率實(shí)驗研究,詳細考查了樣品的熱解產(chǎn)物產(chǎn)率、熱解氣組成及溫度對熱解氣產(chǎn)率和熱解氣組成的影響,得出如下結論:(1)隨熱解溫度升髙,半焦產(chǎn)率下降,熱解氣溫度/℃產(chǎn)率增加。焦油產(chǎn)率在一定溫度范圍內一般是先增圖3木屑樣品熱解產(chǎn)物產(chǎn)率特性曲線(xiàn)后降,水產(chǎn)率主要受原樣品含水量的影響?！鶫CH4→CO(2)隨熱解溫度升高,生物質(zhì)木屑樣品熱解氣+cOCH熱值組成中的H2和CH4含量先增后降,CO略有增加,CO2含量波動(dòng)不大,煤氣熱值略有波動(dòng)中國煤化工CNMHG場(chǎng)州人,助理工程師,溫度/℃圖4生物質(zhì)木屑熱解氣產(chǎn)率特性曲線(xiàn)(收稿日期:2009-10-21)