玉米秸稈微波熱解研究

第33卷第6期武漢工程大學(xué)學(xué)報Vol 33 No 62011年06月. Wuhan Inst. TechJun. 201文章編號:1674-2869(2011)06-0020-03玉米秸稈微波熱解研究楊昌炎,吳禎禎,鄭冬潔,丁一剛,吳元欣(1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,綠色化工過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,湖北武漢430074;2.黃岡師范學(xué)院化工學(xué)院,湖北黃岡438000)摘要:為了研究玉米秸稈形成可再生能源,通過(guò)熱解可轉化為液體燃料一生物油,利用微波加熱,考察了玉米秸稈熱解制備生物油的情況.結果表明:玉米秸稈的影響因素很多,包括徵波功率、熱解溫度、時(shí)間、加料量添加劑等;最優(yōu)工藝條件為:當熱解溫度500℃、處理量0.3kg/kW、熱解時(shí)間15min堆密度大于0.40kgm3碳的添加量為秸稈的5%~10%時(shí),生物油產(chǎn)率最大,達到56%關(guān)鍵詞:玉米秸稈;微波熱解;生物油中圖分類(lèi)號:U416.217文獻標識碼:Adoi:10.3969/j.issn.1674-2869.2011.06.004引言等優(yōu)點(diǎn),其設備體積小,是一門(mén)新興的熱解技術(shù)微波熱解是通過(guò)微波場(chǎng)下物質(zhì)吸收微波而產(chǎn)熱的秸稈是一種貯量巨大的、可再生的能源資源;原理,將物質(zhì)熱分解形成生物油液體產(chǎn)品和其它我國秸稈資源豐富,每年秸稈廢棄物有7億噸口.燃氣、焦炭產(chǎn)品.影響微波熱解的因素有很多,如湖北是我國重要的商品糧、油、棉生產(chǎn)基地,農業(yè)微波功率、物質(zhì)量、堆體積、吸波性能以及吸波助發(fā)達,蘊藏的生物質(zhì)資源非常豐富,秸稈年產(chǎn)量近劑等3,然而關(guān)于這些方面研究還未見(jiàn)系統報1千萬(wàn)噸[2.然而這些資源往往被棄置于自然環(huán)境道.本研究旨在以玉米秸稈為對象,系統考察上述或就地焚燒,造成巨大的資源浪費和嚴重的環(huán)境因素對玉米秸稈熱解形成生物油的影響,分析比污染較添加劑對生物油產(chǎn)品的影響,為生物質(zhì)微波熱隨著(zhù)化石能源的日益枯竭和環(huán)境惡化問(wèn)題的解的深入開(kāi)展和應用提供指導日益加重,開(kāi)發(fā)潔凈的可再生能源已經(jīng)成為21世紀全球共同面臨的緊迫任務(wù)快速熱解作為一項1實(shí)驗部分熱化學(xué)轉化技術(shù),能將秸稈等生物質(zhì)快速轉化為1.1實(shí)驗原料產(chǎn)率達70%、具有替代石油潛力的液體燃料一生玉米秸稈顆粒(直徑為6mm,長(cháng)為10mm)來(lái)物油和化學(xué)品而受到世界廣泛關(guān)注3.微波熱解源于湖北省黃岡市.玉米秸稈的化學(xué)組成和元素具有加熱速率快、不需要載氣、不受顆粒尺寸限制組成(濕基),如表1所示表1玉米秸稈的化學(xué)組成及元素組成Table 1 Chemical compositions of corn straw名稱(chēng)含水質(zhì)量化學(xué)質(zhì)量分數組成/%元素組成質(zhì)量分數/%分數/%纖維素半纖維素木質(zhì)素其他CH數值5.040.227,317.515.040.15,552.81.50.11,2工藝流程及裝置的磨口石英瓶;冷凝系統由三級串聯(lián)冷凝管組成,玉米秸稈熱解工藝,由微波熱解爐、石英反應采用乙醇水冷卻介質(zhì)冷卻器、三級串聯(lián)冷凝器、生物油的收集器和放空等組稱(chēng)取一定質(zhì)量[(300±1)g]的玉米秸稈顆粒成,如圖1所示.微波熱解爐(型號MCR-3,功率置人石英反應器中,連接好各管線(xiàn);開(kāi)啟冷卻循環(huán)1.5kW、射頻2450MHz)購于河南鞏義市予華儀系統,設定冷凝溫度為0~10℃;反應前通入氮器有限責任公司;石英反應器為體積為1000mL氣,排除反應體系中的氧氣,設定微波功率,開(kāi)啟收稿日期:2011-04-09基金項目:湖北自科基金項目(No.2007ABA253);湖北省優(yōu)秀中青年項目(No.Q200715004)作者簡(jiǎn)介;楊昌炎(1969-),男,湖北鄂州人,教授,博士,碩士研究生導師.研究方向:能源化工及反應分離技術(shù)第6期楊昌炎,等:玉米秸稈微波熱解研究微波熱解爐,待管內基本無(wú)熱解氣逸出時(shí),停止加60%~70%;當進(jìn)一步增加輸入功率時(shí),溫度開(kāi)始逐熱,立即取出石英反應器,采用熱電偶測定瓶?jì)任锊缴仙?滿(mǎn)功率輸入時(shí)熱解溫度達到535℃.料溫度;當石英反應器冷卻至室溫,稱(chēng)重.熱解蒸2.1.2熱解產(chǎn)品產(chǎn)率常壓下壓吸波劑添加汽經(jīng)過(guò)冷凝形成的生物油,通過(guò)收集瓶收集;附著(zhù)下,熱解時(shí)間為30min時(shí),玉米秸稈(300±1)g熱在冷凝管內壁的生物油,采用乙醇洗滌,再用旋轉解時(shí)其熱解產(chǎn)品產(chǎn)率受輸入功率水平大小的影蒸發(fā)器脫去乙醇后,冷卻至室溫,與收集瓶中的生響,如圖3所示物油合并,稱(chēng)重圖1微波熱解工藝流程輸入功率占總功率的百分數%Fig 1 Process of microwave pyrolysis圖3微波輸入水平對玉米秸稈熱解產(chǎn)品產(chǎn)率的影響注:1.石英反應器;2.微波熱解爐;3.冷凝管;Fig 3 Effect of different power levels on product4冷凝管;5.收集瓶;6冷凝管;7.放空yields of corn straw pyrolysis1.3計算方法由圖3可知,隨著(zhù)微波輸入功率的增加,生物生物油產(chǎn)率(溫基)為所收集的生物油占玉米油產(chǎn)率逐漸上升,當輸入功率達到總功率的40%秸稈總質(zhì)量的百分數;焦炭產(chǎn)率為石器、英反應器時(shí),生物油產(chǎn)率基本穩定,質(zhì)量分數達47%;不凝內殘余質(zhì)量占玉米秸稈顆?？傎|(zhì)量的百分數;不氣產(chǎn)率與生物油產(chǎn)率受輸入功率的影響,有相似凝氣產(chǎn)率為秸稈總質(zhì)量百分數扣除生物油產(chǎn)率和的變化趨勢,其值基本穩定在質(zhì)量分數33%.焦炭焦炭產(chǎn)率所余下的百分數產(chǎn)率則不同,隨著(zhù)微波輸入功率的增加而逐漸降2結果與討論低,至輸入總功率為100%時(shí)的質(zhì)量分數22%焦炭產(chǎn)率2.1微波功率的影響2.1.3微波功率與加料量的關(guān)系利用微波2.1.1熱解溫度微波熱解的過(guò)程溫度主要依熱解時(shí),熱解轉化率與微波功率、物料量密切相賴(lài)于微波功率由圖2可知,微波總功率(1.5kW)關(guān)圖4顯示出了微波輸入功率水平為70%、對應以10%逐級遞增時(shí),恒定質(zhì)量[(300±1)g]的玉米的功率為1024W時(shí),物料量與熱解產(chǎn)品產(chǎn)率的秸稈物料的熱解終溫變化情況.對于玉米秸稈物料變化關(guān)系.由此可知,隨玉米秸稈量增加,熱解液而言,隨著(zhù)微波功率的逐級上升,熱解終溫逐漸上體逐漸增加,氣體產(chǎn)量逐步降低;固體產(chǎn)率基本不升;當微波功率達到總功率的40%時(shí),熱解溫度接變,而后呈增長(cháng)趨勢.物料量達到250g時(shí),液體產(chǎn)近480℃,然后隨著(zhù)輸入功率的增加,溫度上升較緩率接近48%,物料為300g時(shí)液體產(chǎn)率達49%最(出現平臺期),達到總功率的70%時(shí)溫度上升至大,再隨物料量增加,液體產(chǎn)率有所下,固體產(chǎn)率500℃,該平臺期的最佳輸入功率為總功率的降低,表明物料越多,微波輸入能量不足以滿(mǎn)足熱輸入功率1024W300總功率:1.5kW100輸入功率占總功率的百分數%玉米秸質(zhì)量/g圖2不同微波功率對溫度的影響圖4玉米秸稈物料量對熱解產(chǎn)品產(chǎn)率的影響ig 2 Effect of different power level onFig. 4 Effect of sample weight on productpyrolysis temperatureyield of corn straw pyrolysis武漢工程大學(xué)學(xué)報第33卷解所需能量,導致熱解轉化率下降.因此,最佳的物料加料量與微波輸入功率比為0.3kg/kW.2.2熱解時(shí)間的影響物料微波熱解時(shí),熱解產(chǎn)品的逸出與時(shí)間密切相關(guān)圖5顯示出了微波輸入功率為1024W、物料··4量為300g時(shí),微波加熱時(shí)間對熱解產(chǎn)品分布的影響玉米秸稈吸波產(chǎn)熱,開(kāi)始時(shí)出現水分蒸發(fā)現象;約至3min時(shí)熱解發(fā)生,隨微波加熱時(shí)間的延長(cháng),玉0.350.40450.500.55堆密度(kg/m3米熱解液體產(chǎn)率逐漸增加,氣體產(chǎn)率逐漸升高,熱解圖6不同玉米秸稈的堆密度對熱解產(chǎn)率的影響殘余逐漸降低;當加熱時(shí)間至15min時(shí),熱解轉化Fig 6 Effect of packing density on product達到最大,氣、液、固產(chǎn)率分別為27%、24%、49%;yields of corn straw pyrolysis延長(cháng)加熱時(shí)間,熱解產(chǎn)品產(chǎn)率基本維持不變.因此,確定微波加熱時(shí)間為15mn為宜25碳的添加量占玉米秸稈的百分含量圖7磯添加量對玉米秸稈熱解產(chǎn)品分布的影響5101520253035ig. 7 Effect of carbon on pro圖5微波加熱時(shí)間對玉米秸稈熱解產(chǎn)品分布的影響of corn straw pyrolysisEffect of pyrolysis tim由圖7可知,隨著(zhù)碳的添加,生物油和熱解氣產(chǎn)yield of corn straw pyrolysis率也隨之增加,焦炭產(chǎn)率下降;當添加量達到10%時(shí),2.3顆粒粒徑的影響繼續增加碳的添加量,對熱解氣、液、固體產(chǎn)品產(chǎn)率分顆粒尺寸直接影響玉米秸稈熱解產(chǎn)品的產(chǎn)率顆布基本無(wú)影響,生物油、熱解氣和焦炭產(chǎn)率分別為粒尺寸大小不同,其堆密度不同影響著(zhù)熱解產(chǎn)品分39.1%29.0%和31.9%這表明,碳的添加有助于吸布.圖6顯示出了微波輸入功率1024W熱解終溫波,從而提高升溫速率促進(jìn)液體產(chǎn)品的產(chǎn)出;過(guò)量碳500℃、熱解時(shí)間30mn、玉米秸稈為100g時(shí),玉米會(huì )使熱解蒸汽進(jìn)一步分解形成小分子氣體,而液體產(chǎn)秸稈的不同堆密度對其熱解產(chǎn)品產(chǎn)率的影響由此可率降低因此,碳的用量以不超過(guò)5%~10%為宜除知,堆密度小于0.4kg/m3時(shí),液體產(chǎn)率隨密度的降碳之外,其它無(wú)機物如無(wú)機鹽、一些氧化物等均能促低而下降;顆粒尺寸大于0.4kg/m3后,氣液固產(chǎn)率進(jìn)玉米秸稈生物質(zhì)的吸波能力,對其熱解產(chǎn)品分布、均趨于一個(gè)穩定值.玉米秸稈越細越松散,越有利于液體產(chǎn)品分布有著(zhù)明顯積極作用,詳見(jiàn)后續報道產(chǎn)氣,不利于而液體產(chǎn)出,可能的原因是松散的固體綜合上述,影響因素最佳熱解條件為處理量顆粒導致熱解氣二次分解形成低分子產(chǎn)物0.3kg/kW、熱解溫度500℃、熱解時(shí)間15min、2.4吸波劑的影響堆密度大于0.40kg/m3、碳的添加量為5%~通過(guò)微波加熱實(shí)現熱解,與物質(zhì)的吸波能力10%通過(guò)重復實(shí)驗表明,該條件下熱解液體、氣的大小有關(guān)生物質(zhì)的物料吸波的能力較弱,體、固體產(chǎn)率分別為56%、21%、23%通常需要添加一定量吸波劑.常用的吸波材料有碳化硅、炭等,碳是一種良好的吸波劑圖7顯示結語(yǔ)出了微波功率輸入水平為70%(約1024W)、熱a.微波作為玉米秸稈熱解一種加熱方式,通解溫度約500℃、秸稈量為100g、堆密度為過(guò)物質(zhì)吸波使得自身溫度升高,實(shí)現熱分解,具有0.40kg/m熱解時(shí)間15min條件下,碳的添加不受顆粒尺寸限制、不需要載氣等優(yōu)點(diǎn),易于設計量對熱解產(chǎn)品產(chǎn)率的影響放大(下轉第46頁(yè))46武漢工程大學(xué)學(xué)報第33卷Design and structural analysis of arch and beam hybrid system bridgeZHANG Jian-zhi SHI Ming -giang(1. China Railway Siyuan Survey And Design Group Co Ltd, Wuhan 430063, China;2. CCCC Second Highway Consultants Co. Ltd, Wuhan 430056, China)Abstract: In this paper, Mengshan mountain bridge, five large span arch and bea m hybrid systembridge and the design process were introduced in detail, and the research of modeling calculationanalyses of the bridge was done. The results show that external prestressing of the main arch of thesetting or the level of reaction force of the arch are significant reference for the design of si milarKey words: continuous girder bridge; arch bridge; arch and beam hybrid system bridge structuralanalysis本文編輯:張瑞(上接第22頁(yè))b微波熱解的影響因素很多,主要有微波功(2):106-109率、熱解時(shí)間、吸波劑、物料量、堆密度等.玉米秸3] Czernik s, Bridgwater AV. Overview of application稈間歇微波熱解的最佳條件為:熱解溫度500℃、of biomass fast pyrolysis oil[J]. Energy &Fuels處理量0.3kg/kW、熱解時(shí)間15min、堆密度大于2004,18(2);590-598.0.40kg/m3碳的添加量為5%~109%,其熱解液41 Krieger-Brockett. icrowave pyrolysis of bima體、氣體、固體產(chǎn)品產(chǎn)率分別為56%、21%、23%[J]. Res Chem Intermed, 1994, 20(1):39-49[5]金欽漢,戴樹(shù)珊,黃卡瑪.微波化學(xué)[M].北京:科學(xué)參考文獻:出版社,2001.[6]趙希強,宋占龍,劉洪貞,等,農作物秸稈微波熱解特[1]朱錫鋒.生物質(zhì)熱解原理與技術(shù)[M].合肥:中國科性試驗[J].農業(yè)工程學(xué)報,2009,25(10):210214.學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2006[6]楊昌炎,楊學(xué)民,呂雪松,等.分級處理秸稈的熱解過(guò)[2]陳應泉,汪翔陳漢平,等.武漢城市圈農村生物質(zhì)資程[J].過(guò)程工程學(xué)報,2005,5(4):379-383.源特點(diǎn)及綜合利用建議[J].可再生能源,2009,27Study on microwave pyrolysis of corn strawYANG Chang-yan2, WU Zheng-zheng, ZHENG Dong-jie, DING Yi-gang, wU Yuan-xin'(1. Key Lab for Green Chemical Process of ministry of Education, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China;2. College of Chemical Engineering, Huanggang Normal University, Huanggang 438000, China)Abstract: As a renewable energy resource, corn stalks can be converted into liquid fuel by means ofpyrolysis. Microwave pyrolysis of corn stalks was investigated to produce bio-oil. The results showedthat microwave pyrolysis of corn straw wasnced by many factors such as microwave powertemperature, heating time, bulk density of biomass, and a ratio of material weight per kilowatt ofmicrowave power. The process was optimized that 500 C of pyrolysis temperature, a ratio of 0. 3 kg ofcorn straw per kilowatt of microwave power, 5 to 10 percent of carbon additive of the sample can makethe yield of bio-oil to reach 56%Key words: corn straw; microwave pyrolysis; bio-oil本文編輯:張瑞