玉米秸稈熱解生物油特性的研究

0第2.第3用農業(yè)工程學(xué)報Vol 22 No. 3Transactions of the CSAEMar,2006玉米秸稈熱解生物油特性的研究王麗紅1,柏雪源,易維明,孔凡霞2,李永軍1,何芳,李志合1(1山東理工大學(xué)山東省清潔能源工程技術(shù)中心,淄博255049;2.北京航空航天大學(xué)機械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京100083)摘要:基于為生物油開(kāi)發(fā)利用提供基礎數據的目的,在等離子體流化床熱解實(shí)驗臺上利用粉碎的玉米秸制取生物油,并對生物油的物理化學(xué)特性進(jìn)行了分析研究。生物油的最高得油率為37%顯酸性密度在1100~1200kg/m3之間;動(dòng)力粘度的總體趨勢是隨溫度的升高而降低;灰分百分含量小于0.1%。同時(shí)使用色質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS)對生物油進(jìn)行了組分分析,生物油的主要成分有乙酸羥基丙酮、水、乙醛、呋喃等。高含水量和含氧量使得生物油熱值低,容易發(fā)生反應,需要對生物油進(jìn)行進(jìn)一步的分析和改性才能用于高端技術(shù)關(guān)鍵詞:玉米秸稈;熱解;生物油;特性;流化床中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1002-6819(2006)030108-04王麗紅,柏雪源易維明,等.玉米秸秤熱解生物油特性的研究[].農業(yè)工程學(xué)報,2006,22(3):108-11lWang Lihong, Bai Xueyuan, Yi Weiming, et al. Characteristics of bio-oil from plasma heated fluidized bed pyrolysis ofcorn stalk [J]. Transactions of the CSAE, 2006, 22(3): 108-111. (in Chinese with English abstract0引言不同。玉米秸稈是中國北方地區最常見(jiàn)的農業(yè)廢棄物之量大價(jià)廉,然而對其進(jìn)行熱解液化以及液化產(chǎn)物分生物質(zhì)是地球上最普遍的一種可再生能源,具有揮析的研究鮮見(jiàn)報道,所以研究玉米秸稈的閃速熱解制取發(fā)組分高、碳的活性高、硫含量低、灰分低等優(yōu)點(diǎn),生物液體技術(shù)對于開(kāi)發(fā)利用農村能源具有重要意義。山東理質(zhì)的重要地位使得對生物質(zhì)的開(kāi)發(fā)和利用已經(jīng)受到越工大學(xué)利用自行設計開(kāi)發(fā)的等離子體熱解液化裝置進(jìn)來(lái)越多的重視和關(guān)注。在生物質(zhì)能的利用技術(shù)當中,閃行玉米秸稈粉的閃速熱解液化實(shí)驗,對制取的生物油進(jìn)速熱解液化制取生物油屬于前沿技術(shù)。國內外學(xué)者對此行了一系列物理化學(xué)特性分析。項技術(shù)進(jìn)行了研究,期待能夠實(shí)現以連續的工藝和工廠(chǎng)化的生產(chǎn)方式轉化為易儲存、易運輸、能量密度高的生熱解試驗物油。 Md Kayser等研究了油棕殼的熱解工藝,并利用等離子體熱解流化床實(shí)驗臺的結構示意圖見(jiàn)參考FT-IR、 GCIFID和GC/MS對生物油進(jìn)行了化學(xué)分文獻。這套實(shí)驗臺的最大特點(diǎn)是采用電離氬氣得到的析,發(fā)現生物油中苯酚及其衍生物含量較高,有很好的等離子體作為流化氣體和主要熱源改善了流化床內的利用價(jià)值。 Fortesa icp等分析了 Macauba fruit熱解傳熱傳質(zhì),實(shí)現玉米秸稈的閃速熱解。流化床外壁纏有后的生物油,發(fā)現其中含有大量的烴、醛和羧酸。Kai電阻絲,作為輔助熱源,最外層用石棉做保溫層la等以稻秸、松樹(shù)和闊葉樹(shù)的熱解產(chǎn)物為研究對對于閃速熱解,在確定實(shí)驗原料之后,顆粒原料粒象,用水和二乙基醚將每一種生物油分餾為4種餾分,經(jīng)、反應溫度、喂料速率和熱解氣滯留時(shí)間是影響生物分別測定物化特性并進(jìn)行了比較,為生物油的提純和分油成分和“品質(zhì)”的主要因素。經(jīng)過(guò)粉碎研磨的顆粒,直析提供了參考3。王樹(shù)榮和駱仲泱等以稻稈和幾種木屑徑數量級為m,所以可以忽略顆粒粒徑對熱解反應的為原料,在流化床上研究了不同升溫速率和不同原料對影響;另外熱解氣的滯留時(shí)間難以精確控制,而滯留時(shí)生物油產(chǎn)率的影響,最后分析了生物油的物理性質(zhì)并給間受喂料速率的影響,因為控制反應溫度和喂料速率相出 Pterocarpus indicus熱解后液體產(chǎn)物的主要成對容易實(shí)現,所以確定反應溫度和喂料速率為試驗因分5。張素萍等將木屑熱解后的生物油分離為油相和素。通過(guò)試驗,得到玉米秸稈的最高得油率以及所對應水相,然后分別研究各自的物化特性?？傊?生物質(zhì)熱的試驗條件,見(jiàn)表1。表1列出了4組得油率較高的試解是一個(gè)復雜的物理化學(xué)反應過(guò)程,不同的熱解原料、驗條件,當反應溫度750K,喂料速率700g/min時(shí),得熱解設備和工藝,得到生物油的產(chǎn)量以及物理化學(xué)性質(zhì)油率最高,為37.1%。表1試驗條件及生物油的物理性質(zhì)收稿日期:2005-06-29修訂日期:2006-02基金項目:國家863計劃資助項目(2001AA514030,試YHand characteristics of bio-oil中國煤化工pH值密度灰分2003AA514030);國家自然科學(xué)基金資助(50376031,50576048)CNMHG作者簡(jiǎn)介:王麗紅(1977-),女,碩士,主要從事生物質(zhì)熱解液化方0.027面的研究。淄博山東理工大學(xué)輕工與農業(yè)工程學(xué)院,255049。E36.01570.036mail:wanglh@sdut.edu.cn377370031.73.9511370.018※通訊作者:易維明,教授,博士,博士生導師。博山東理工大學(xué)34.33.0.069輕工與農業(yè)工程學(xué)院,255049,Email:weiming@sdut,edu.cn第3期王麗紅等:玉米秸稈熱解生物油特性的研究2生物油的物理化學(xué)特性生物油中的殘炭,因為殘炭能夠降低生物油的穩定性,增加粘度,同時(shí)也是為了防止色譜柱被固體顆粒堵塞。對4種試驗條件下得到的生物油進(jìn)行了的物理特分析儀器:美國 Agilent公司GC6890/MS5973N性分析,具體數值見(jiàn)表1色譜柱: Innowax19091N-136(60m×0.25mm2.1pH值0.25μm);載氣:氦氣,在整個(gè)過(guò)程中氣流恒定利用上海雷磁pHS-25型酸度計測定生物油的pH1mL/min;分流比:80:1;進(jìn)樣量:0.2μL;氣化室溫度值。生物油在常溫下呈酸性,pH值介于3.8~4.0之間,( Inlet):280C;氣相色譜儀和質(zhì)譜儀接口溫度(Aux):并且pH值隨試驗條件的不同變化不大。生物油的240C;柱溫:60~120C,升溫速率10C/min;120~值主要受揮發(fā)性酸和水的影響。因為生物油呈酸性,使200℃,升溫速率5C/min得生物油具有腐蝕性,在儲存或運輸生物油時(shí)應用抗酸3.2分析結果耐腐蝕的材料制作容器。圖2是對試驗1中的生物油按照上述分析條件進(jìn)2.2生物油的密度行分析后得出的總離子流圖(TIC),橫坐標為檢測時(shí)生物油的密度對于生物油的儲存、運輸及利用是一間,縱坐標為檢測器對檢測成份的響應值,可以看出生個(gè)重要的參數,其與原料密度的比值可以衡量其在容積物油的成份非常復雜。對圖3譜庫檢索,并積分,得到生能量密度上的優(yōu)勢。根據GB4472-84中的比重瓶法測物油的主要成份和對應的相對峰面積,見(jiàn)表2。各個(gè)成定不同試驗條件下的生物油密度,發(fā)現密度值沒(méi)有顯著(zhù)份在生物油中的含量與其對應的相對峰面積成正比,因差異,變化也沒(méi)有規律性,密度在1100~1200kg/m3之此可以得出生物油中的主要成份有乙酸羥基丙酮、水、間乙醛、呋喃。同樣條件分析另外3組試驗得到的生物油,2.3生物油灰分主要成份相同,但是各成份的相對峰面積有所差異。表根據GB/T508-85中的測定方法,測定生物油的3給出了各主要成份含量的比較,說(shuō)明熱解參數對生物灰分,生物油的灰分含量非常低,均小于0.1%,所以在油的成份有一定的影響,所以在今后的試驗中,確定熱生物油的使用中不存在灰分的排放,這也是今后應用生物油方面的優(yōu)點(diǎn)之2.4動(dòng)力黏度粘度對輸送及燃燒霧化裝置的設計有著(zhù)重要的影響。對試驗1和試驗2得到的生物油進(jìn)行測定。按照SY/T7549-2000的操作要求測定粘度。用德國3500000HAAKE公司生產(chǎn)的同軸圓筒旋轉動(dòng)力粘度計RS75,剪切速率600s-1,降溫速率1C/min,測得生物油在從15C~45C溫度范圍的粘度值。從圖1中可以看5000001)生物油粘度隨溫度升高而下降。2)生物油粘度在27.5C時(shí)發(fā)生明顯變化,粘度減2.004006.008.0010.0012.0014.0016.00I8.0020.0022.00小的變化速率減慢。因為生物油的成份和機理比較復雜,我們可以推測其中含有某種物質(zhì)在27.5℃時(shí)在生圖2玉米秸稈熱解制取生物油總離子流圖物油中的狀態(tài)發(fā)生某些變化,或者某種物質(zhì)在該溫度發(fā)talion chromatograms of corn stalk pyrolysis oil生分解或聚合反應,建議對其原因開(kāi)展進(jìn)一步研究。表2生物油的主要成分60保留時(shí)間相對峰實(shí)驗2序號/minNIST98庫檢索15.112Methyl Alcohol25.6812. 3-Butanedione丁二酮1.486.232水羥基丙酮72.725202530354045dehyde. hydroxy-乙醛63.19測試溫度/℃中國煤化工乙酸圖1生物油的黏度CNMHG請189Fig. 1 Kinetic viscosity of bio915.5601. 2-Ethanediol3.833生物油的成分分析543 Phenol,2 methoxy2甲基苯酚10.333.1分析條件注:相對峰面積:將TC中的峰積分,以水的積分面積作為100%其它成份的積分面積與之比后得到的值即為相對峰面積分鈣為速條件下得到的生物油成份。首先濾掉110農業(yè)工程學(xué)報2006年解反應參數時(shí),不僅要考慮生物油的產(chǎn)量,還要考慮到得油率較高的四種工況下得到的生物油進(jìn)行了分析。生生成油的“品質(zhì)”。物油在常溫下呈酸性,pH值介于3.8~4.0之間;密度表3主要成份的含量比較在1100~1200kg/m3之間;粘度隨溫度升高而下降,在Table 3 Comparison of contents of major compositions27.5℃時(shí)發(fā)生變化,黏度下降的速率減小;生物油中主試驗相對峰面積/%要成分有乙酸、羥基丙酮、水、乙醛、呋喃等序號水乙酸羥基丙酮乙醛生物油含水量和含氧量高,降低了生物油的熱值127.672.7增加了不穩定性,直接利用技術(shù)尚未成熟,需要經(jīng)過(guò)進(jìn)118.71步處理后方可應用。高產(chǎn)量、低粘度、高熱值、穩定性74.4414.0819.94好是今后制取生物油的方向。20,89[參考文獻]有較高的含氧量,不僅降低生物油的熱值、使其具有席1] Md Kayser J., Farid Nasir A. Oil palm shell as a sourceof phenol[J]. Journal of Oil Palm Research, 2000, 12(1):蝕性,而且影響生物油的穩定性,容易發(fā)生反應。主要有酸和醇的反應、醛和水的反應、醛和醇的反應、醛和酚在[2] FortesIC P, Baugh P J. Study of analytical on-line酸性條件下的反應。pyrolysis of oils from macauba fruit(acrocomia sclerocarpa生物油中水的含量也占很大比例,因為即使絕對干M)via GC/MSU]. J Braz Chem Soc, 1999, 10(6):469的原料中仍含有一定量的水。另外原料中含有氫和氧,所以熱解反應也會(huì )生成水水的存在降低了生物油的黏31 Kai sioila, Eeva Kcoppala, Leena Fagerna s,etaCharacterization of biomass-based flash pyrolysis oils[J]度,影響了生物油的理化穩定性Biomass and Bioenergy, 1998,14(2): 103-113.如果將生物油直接作為高品質(zhì)能源應用,還需經(jīng)過(guò)[4]王樹(shù)榮駱仲泱,董良杰,等,幾種農林廢棄物熱裂解制取進(jìn)一步的改性將氧除去。生物油的廣泛應用還不具備充生物油的研究[].農業(yè)工程學(xué)報,2004(2):246-249.分條件,所以在今后的研究中生物油的改性問(wèn)題是重點(diǎn)[5] Luo Zhongyang, Wang Shurong, Liao Yanfen,etal.Research on biomass fast pyrolysis for liquid fuel [J].omass and bioenergy,2004,(26):455-4624生物油的儲存及應用[6]張素萍,顏涌捷,任錚偉,等.生物質(zhì)快速裂解液體產(chǎn)物的如果生物油直接與空氣接觸,空氣中的氧就會(huì )與生分析[].華東理工大學(xué)學(xué)報,2001,(27):666-668.物油生成過(guò)氧化物,加速生物油中反應的進(jìn)行。所以必〖7]柏雪源,易維明,王麗紅,等.玉米秸稈在等離子體加熱流化床上的快速熱解液化研究[].農業(yè)工程學(xué)報,2005,須密封保存。(12):127-130通過(guò)以上分析,直接利用生物油技術(shù)尚未成熟,因[8]何芳.生物質(zhì)熱解液化過(guò)程分析和試驗[D].上海:上海此需要對生物油進(jìn)行處理后再應用。改性的最主要的目理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,2004的是以水或者二氧化碳的形式除去生物油中的氧,從而9] Diebold J P. A review of the chemical and physical mecha獲得高的碳氫化合物含量。目前用于生物油改性的主要sms of the storage stability of fast pyrolysis bio-Oils方法有加氫處理和沸石合成技術(shù)。加氫處理在工藝上需[R]. Colorado: National Renewable Energy Laboratory要較低的空間氣體流速、長(cháng)的滯留時(shí)間以及大的反應空2000:41-42間,而且完全加氫去氧成本昂貴,不完全去氧處理又增[0王樹(shù)榮駱仲浹,等.生物質(zhì)熱裂解生物油特性的分析研究[].工程熱物理學(xué)報,200425(6):1049-1052加生物油的粘度。沸石合成改性生物油不需要氫氣,在[11徐保江,李美玲,曾忠,生物質(zhì)熱解液化技術(shù)的應用前景理想情況下氧以水和二氧化碳的形式除去。改性以后的].能源研究與信息,1999,(2):19-23.生物油可以部分代替汽油、柴油或者煤油作為發(fā)動(dòng)機的12] Michio ikura, Maria Stanciulescu, Ed hogan, Ermulsifica原料,在農村的應用潛力大。另外,生物油與柴油按一定tion,of pyrolysis derived bio-oil in diesel fuel[J].Biomass比例混合,通過(guò)乳化技術(shù)處理后,可以作為柴油的代替and Bioenergy,2003,(24):221-232品使用0-131[13] F. Ates, Putin E, Putin AE. Fast pyrolysis of sesame同時(shí),生物油中含有多種有機成分,可以經(jīng)過(guò)轉化stalk: yields and structural analysis of bio-oil [J]. J.從中提煉出食品添加劑和其他化工產(chǎn)品,也是生物油利Anal. Appl. Pyrolysis, 2004,(71):779-790.用研究中前景非常廣闊的一項技術(shù)1[14]謝明軍,郝善婷,黃鈴,等.生物質(zhì)裂解生物油的GCMS中國煤化工現代有機質(zhì)譜技術(shù)及應5結論與建議學(xué)出版社,1999:344-349CNMHG在以玉米秸稈為原料熱解制取生物油的試驗中,對第3期王麗紅等:玉米秸稈熱解生物油特性的研究111Characteristics of bio-oil from plasma heated fluidizedbed pyrolysis of corn stalkWang Lihong, Bai Xueyuan, Yi Weiming, Kong Fanxia, Li Yongjun, He Fang, Li Zhihe(1. Shandong Research Center of Engineering and Technology for Clean Energy, Shandong University of TechnologyZibo 255049, China: 2. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100083, China)Abstract: In order to provide basic data for utilizing bio-oil, flash pyrolysis of pulverized corn stalk was conductedin a plasma heated fluidized bed reactor. The yield of bio-oil derived from corn stalk by pyrolysis is about 37%The physical and chemical characteristics of the bio-oil were then determined. Bio-oil is acidic (pH rangesbetween 3.8-4.0)with density of 1100-1200 kg/m The kinetic viscosity of bio-oil decreases quickly with theincrease of temperature up to 275C, and then decreases slowly. The ash content of bio-oil is less than 0.1%The chemical compositions of the bio-oil were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MC)The major chemical compositions detected were acetic acid, 2-propanone, 1-hydroxy, water, acetaldehydehydroxy, furfural, etc. Because of high content of oxygen and water, the heat value is relatively low and poly-merization may react easily. The bio-oil derived from corn stalk must be analyzed further and upgraded before itsapplication in advanced areasKey words: corn stalk; pyrolysis; bio-oil; characteristics; fluidized bed更正啟事發(fā)表于《農業(yè)工程學(xué)報》2006年,第22卷,第2 rapidly, prolonging industry chain, transferring期,第180-184頁(yè)署名為“朱明,王?！钡恼撐摹稗r產(chǎn) surplus rural labor force and increasing farmers’in-品加工產(chǎn)業(yè)聚集與小城鎮建設”一文的英文摘要,由come, were analyzed. There exists an interactional于編輯疏忽,出現錯誤,原正確英文題名及摘要重登 and interdependent relationship between agricultural如下。produce processing industry and small town con-tstruction. The developing prospects of agriculturalClustering in agricultural produce processing indus- produce processing industry in small towns weret try and small town constructionpredicted, and some suggestions on industry clus-Zhu Ming, Wang Haitering of agricultural produce processing in smallChinese Academy of agricultural Engineering, towns in China were presentedt Beijing 100026, China)Key words: agricultural produce processing: indusAbstract The significance of agricultural produce try clustering; small town constructionprocessing industry to solving the three agriculture-t related issues, namely, countryside, farmers and特向作者、讀者致以由衷的歉意。farming, and small town construction was dis-cussed. Some characteristics of Chinese agricultural中國煤化工工程學(xué)報》編輯部roduce processing industry such as developingCNMHG06年3月20日