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:通過生物質(zhì)木屑在管式熱解爐內(nèi)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,同時生物質(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)展起來的常規(guī)能源技在的能源資源,是人類未來能源和化學(xué)原料的重要術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能。同時與礦物燃料相比,生物來源之一。生物質(zhì)是太陽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。太陽能照射到地球后,一部分轉(zhuǎn)化為熱能,因而,生物質(zhì)利用過程中SO2、NO2的排放量小部分被植物吸收,轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。轉(zhuǎn)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(fù)雜性,其利用類所利用(如太陽能熱水器,太陽能蓄電池),其技術(shù)遠比化石燃料要復(fù)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。通過光合作用,能夠把太陽能富集起來,儲存在有機物中。通過燃燒反應(yīng)和光合作用兩個逆過程的匹表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(shè)備廚房垃圾(含水率90%)作肥料生物質(zhì)生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)換利用過程ecH中國煤化工圖1生物質(zhì)能利用閉循環(huán)過程CNMHG生物質(zhì)能與常規(guī)能源相比,具有潔凈、分布天然氣(LNG)廣、利用形式多、與現(xiàn)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)與化石燃料熱解實驗工藝參數(shù)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,難以實現(xiàn)集屮處惰性載氣:N理,而分散處理則存在技術(shù)效率低、規(guī)模小、經(jīng)濟載氣流量:0.3~0.4L/min效益差等問題,成為目前生物質(zhì)大規(guī)模推廣使用的壓力:常壓主要難題,而若能開發(fā)出生物質(zhì)與其它常規(guī)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(yīng)用具有重要推動作用。恒溫時間:60min2實驗樣品選擇與分析3實驗方法對選用的樣品破碎制樣,進行分析化驗:木屑實驗開始前將樣品加入到水平熱解反應(yīng)管中,裝(白松加工廠鋸末)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(tǒng)內(nèi)空氣吹凈,然后啟素分析、全水分、發(fā)熱量、全硫和CO2反應(yīng)性,動程序升溫控制儀,控制升溫速度為10℃/min,分析化驗結(jié)果見表2和表3達到設(shè)定熱解溫度再恒溫1h。熱解過程產(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)流量計量后進儲氣袋。實驗結(jié)束后,待熱解反應(yīng)器自然降至常溫,取出半焦稱重,并將之密封保存以備%1-8M·kg氣化實驗用;氣體取樣進氣相色譜分析儀進行組分6.15.551.7673.8818.8118.41分析;冷凝瓶內(nèi)的焦油、水經(jīng)甲苯萃取后蒸餾分離,得出各自的產(chǎn)物產(chǎn)率。通過實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。實驗結(jié)果46.465.3440.45實驗取得了大量實驗數(shù)據(jù),經(jīng)整理熱解實驗結(jié)生物質(zhì)木屑樣品的基本特征是:全水分含量并果見表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(shù)(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無黏結(jié)和膨脹,樣品的熱解實驗結(jié)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(shè)特點;低硫,硫形態(tài)主要是有機硫;CO2反應(yīng)活性獨立地進行熱分解,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(wěn)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(guī)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)木屑的熱分解過程降,在500℃時含量最高。CH4總體趨勢是200℃可分為以下三個階段:以后隨溫度升高而下降。烴類組分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)木屑的熱解過程大致可以分為四個階第二階段(100℃~380℃)是揮發(fā)分析出階段,即干燥階段、預(yù)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(yīng)大約在200℃時開始,在CO2、CO、H、C2H及不和烴等氣體,生物半300℃~500℃的時候熱解反應(yīng)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?fàn)畹臍堅?一般不生成膠質(zhì)體,且無黏結(jié)熱解氣中的低,其原因可由兩樣品的元素組成差異現(xiàn)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(guī)律曲線如圖3和圖4所示5結(jié)語半焦產(chǎn)率·油產(chǎn)率通過對生物質(zhì)木屑在管式熱解爐內(nèi)熱解行為的水產(chǎn)率實驗研究,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(jié)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(nèi)一般是先增圖3木屑樣品熱解產(chǎn)物產(chǎn)率特性曲線后降,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含量波動不大,煤氣熱值略有波動中國煤化工CNMHG場州人,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(收稿日期:2009-10-21)