第36卷第3期化學工程V.36No.32008年3月CHEMICAL ENGINEERING(CHINA)Mar.2008慢速熱解對生物質粉體物性的影響張巍巍,陳雪莉,曾國勇,于遵宏(華東理工大學潔凈煤技術研究所,上海20037)摘要:慢速熱解方法可以有效地脫除生物質中的氧元素提高生物質的能量密度,從而提高生物質氣流床氣化合成氣的熱值;并可以有效地改善生物質的物性,實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的輸送。使用直剪儀對不同粒徑的生物質和不同熱解溫度的半焦進行物性分析,結果表明:熱解后,半焦的休止角、內摩擦角和開放屈服強度都明顯降低;堆積密度比原料的堆積密度大;從電鏡圖片分析得出表面結構的變化是物性發(fā)生變化的根本原因;400℃半焦的休止角為388°,堆積密度為2694kg/m3,開發(fā)屈服強度為268kPa,并結合半焦氣化合成氣的熱值得出400℃半焦作為氣化原料比較合理。關鍵詞:內摩擦角;壁摩擦角;休止角;慢速熱解;生物質;直剪儀中圖分類號:TK6,TQ02,3文獻標識碼:A文章編號:100954(200803004Influence of slow pyrolysis on physical properties of biomass powdersZHANG Wei-wei, CHEN Xue-li, ZENG Guo-yong, YU Zun-hongInstitute of Clean Coal Technology, East China University of Science &Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: Slow pyrolysis removes effectively oxygen from biomass and improves the energy density of biomass. So itincreases the heat value of biosyngas in biomass entrained-flow gasification. Meantime, it changes the physicalproperties of biomass powder. The physical properties of different particle-sized biomass and different pyrolysistemperature of semi-coke were analyzed by using direct shear cell. The results show that the angle of repose,theangle of intemal friction and unconfined yield strength of semi-coke decrease obviously the bulk density of semicoke is bigger than that of biomass; the essential reason of these variations is the change of surface structure fromSEM; the angle of repose, the bulk density and unconfined yield strength of semi-coke is 38. 80, 269. 4 kg/mand26.8 kPa, respectively. The semi-coke at 400 C is reasonable for biomass entrained-flow gasification as rawmaterialKey words: angle of intemal friction; angle of static friction; angle of repose; slow pyrolysis; biomass; direct shear生物質粉體輸送對生物質氣流床氣化是一個影響。關鍵環(huán)節(jié)所以對生物質粉體進行研究具有很重要的現(xiàn)實意義。由于生物質自身能量密度低內氧含實驗部分量高導致氣化合成氣的熱值偏低;同時由于生物質1.1實驗原料本身的堆積密度小休止角大且流動性不好導致很稻稈(取自上海市寶山區(qū))經(jīng)過粉碎過篩后,取難實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的輸送。慢速熱解方法不僅可有效2040目,6080目和120目的篩下物作為實驗原地除去生物質中的氧元素提高合成氣的熱值,而且料,并將其放置在105℃烘箱內干燥3h后備用。可改變生物質粉體本身的物性來實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的輸1.2實驗流程送,同時物性數(shù)據(jù)也可為料倉設計提供基本的理論熱解實驗流程如圖1所示。生物質原料放人特依據(jù)。本文主要考察了慢速熱解對生物質粉體物性制的方面的影響進而考察慢速熱解對生物質輸送的熱解YH中國煤化工屬反應器內進行CNMHG顯示。熱解后固者簡介:張巍巍(1980-),女博士研究生,主要從事生物質熱解氣化方面的研充Emil:mw2006@126.cm。張巍巍等慢速熱解對生物質粉體物性的影響6體產(chǎn)物半焦留在反應器內,實驗結束后取出稱量。成,氣體洗瓶中裝有玻璃微珠和二氯甲烷或者二者產(chǎn)生的氣體由載氣帶出,通過除塵、除焦凈化后將其的混合物。前4個氣體洗瓶放入冰浴中,后2個氣收集進行分析。焦油的收集主要由6個氣體洗瓶完體洗瓶放入丙酮和干冰的混合液中溫控儀計算機氣相色譜質量流量計冰浴丙酮干冰浴氣體收集器氮氣瓶田1熱解實驗流程圖Fig. 1 Schematic diagram of slow pyrolysis2結果與討論lomb公式表示為-2121休止角和堆積密度S=panφ+F表1給出了原料和半焦的休止角和堆積密度。式中,S為抗剪強度kPa;P為正壓力kPa;φ為內摩由表1可知因為粒徑小的物料顆粒間的間隙小,所擦角,(°;F為內聚力,kPa以生物質粒徑越小,休止角越小,堆積密度越大,物試樣的抗剪強度為料之間的流動性也相對較好,在生物質輸送過程中S=KxR不易形成架橋。半焦的休止角和堆積密度的變化不式中K為應變圈系數(shù)kPa/0.01mm;R為剪切時是一個單調的趨勢,而是400℃半焦的休止角最小,應變圈中測微表的初讀數(shù)與剪壞時的終讀數(shù)之差堆積密度最大。即相對于其他熱解溫度下的半焦表(應變圈系數(shù)K=1818)。試樣的正壓力為現(xiàn)出更好的輸送性能。P=h×9.8×12A x10(3)表1生物質與半焦的休止角和堆積密度式中,A為試樣面積,30cm2;12為杠桿比單位;m為bulk density砝碼質量,kgbiomass and semi-char圖2和圖3分別為生物質和半焦的抗剪強度隨體積平休止角堆積密度正壓力的變化關系。從圖中得出tanφ,內聚力F均粒徑(°)/(kgm)內摩擦角φ及相關系數(shù)R列于表2120目上40.0稻稈6080目0.18-0.25mm49.313.620-40目0.42-0.84mm622104.4300℃半焦403.49μm41.7201.6r>120400℃半焦318.2538.8500℃半焦34.9943.3220.0550℃半焦32.59μm42.1240.02內摩擦角75100125150175200225內摩擦角測量采用南京寧曦土壤儀器有限公司中國煤化工度與SDJ型等應變直剪儀。固體顆粒的抗剪強度可反CNMH映固體顆粒和輸送壁面及顆粒之間的物性關系。內Shear stress of bi摩擦角與抗剪切強度之間的關系可以用Mohr-Cou化學工程2008年第36卷第3期壁摩擦角時,下盒內不是粉體而是鑲嵌的壁面材料。210輸送壁面和顆粒之間的壁摩擦角也滿足上述Mohr姍5Coulomb公式,式中φ為壁摩擦角?！姘虢股镔|與熱解后半焦的壁摩擦角比較如圖4所示。壁面材料為不銹鋼,其中20℃對應的是原料的壁摩擦角。從圖中可以看出隨著熱解溫度的提高壁摩擦角逐漸減少,但半焦的壁摩擦角都比原料的壁摩擦角大,這是由于熱解后半焦的靜電力明顯大于原料之間的靜電力,從而導致了熱解后半焦的壁圖3不同熱解溫度下半焦的抗剪強度與摩擦角比原料的壁摩擦角大正壓力之間的變化關系圖Fig 3 Shear stress of semi-chans in different pyrolysistemperatures as a function of normal str豪2生物質及半焦的內摩擦角和內聚力able 2 Angle of intemal friction and cohesive forces oftan中F/kPaψ/(°)30040050060020-40目0.71406.919035.540.9999熱解溫度廣c6080目0.737810.49736.40.9989>120目0.67538.288434.050.9997圖4原料與半焦的鑒摩擦角的比較300℃半焦0.72759.116636.050.999etween biomass and400℃半焦0.66757.177533.740.997500℃半焦0.60868.18831340.9882.4原料與半焦的電鏡圖550℃半焦0.60047.165031.000.9999圖5為原料和半焦的電鏡圖片。從圖中可以看出,熱解之后,生物質內的纖維素、半纖維素和木質對于粉體物性來說,內聚力的大小并不是一個素得到不同程度的破壞從而C骨架受到破壞所十分重要的影響因素而內摩擦角卻是一個非常重以失去了韌性剪切容易破壞。且熱解溫度越高,半要的影響因素。從表2可以看出,對于3種粒徑的焦表面就表現(xiàn)出多孔性,并出現(xiàn)不同程度的坍塌,使生物質,內摩擦角隨粒徑呈現(xiàn)正態(tài)分布60-80目物料更趨于石墨化,所以半焦的壁摩擦角和內摩擦稻稈的內摩擦角最大。說明內摩擦角不僅與物料表角隨著熱解溫度的升高而降低。面性質有關而且與物料的粒徑堆積密度及形態(tài)也2.5粉體流動性分析是相關的。按粉體的摩擦行為, Molurus把粉體分為3熱解溫度越高,內摩擦角越小。這是因為熱解類(。生物質粉體應該屬于 MolurusⅢ類粉體溫度越高熱能破壞了更多的分子間鍵,也破壞了分但生物質經(jīng)過不同溫度熱解之后生物質內部結子間的機械交合力。并且熱解過程實際上是生物質構受到不同程度的破壞,導致表面性質發(fā)生變炭化的過程降低了分子間的摩擦力;熱解使生物質化,從而改善了生物質粉體的物性及流動性,使更接近有序性,從粒徑結果也可看出熱解溫度越半焦粉體更接近 MolurusⅡ類粉體。同時,計算并高顆粒粒徑越小;顆粒的形狀從針狀接近球形所比較了原料與半焦的開放屈服強度,結果如圖6以物料之間的粘附性減弱,進而內摩擦角逐漸降低。所示,20℃對應的是60-80目稻稈所對應的開2.3壁摩擦角放屈形中國煤化工開放屈服強度壁摩擦角是粉體與壁面之間的摩擦角,它明顯陣CNMHG服強度最小的測量方法與內摩擦角基本相同,區(qū)別僅在于測量說明400℃半焦流動性最好。張巍巍等慢速熱解對生物質粉體物性的影響2)60-80日稻稈(b)300℃半焦(c)400℃焦(d)500℃焦c)550℃焦圖5原料和半焦的電鏡圖Fig 5 SEM of biomas and semi-chans4200℃半焦作為氣化原料最合理參考文獻:蘭[1] Pablo Juliano, Balasingam Muhunthan, Gustavo V.Flowand shear descriptors of preconsolidated food powders[J]. Joumal of Food Engineering, 2006, 72(2):157-1[2] Manimehalai N, Viswanathan R. Physical properties of100200300400500600fuzzy cottonseeds[ J]. Biosystems Engineering, 2006, 95熱解溫度/℃[3] Fridrun Podczeck, Yasmin Miah. The influence of particle圖6熱解后開放屈服強度的變化size and shape on the angle of intemal friction and theFig 6 Variation of unconfined yield strength after pyrolysisflow factor of unlubricated and lubricated powder [J]International Journal of Pharmaceutics, 1996, 144 (2):3結論187-194生物質經(jīng)過慢速熱解后本身的物性發(fā)生相應的[4] Kunio shinohara,. Mikihiro oida, Boris golman, Effect of改變,半焦的休止角、內摩擦角和屈服強度明顯比原particle shape on angle of intemal friction by triaxial com-料的小;并且堆積密度比原料的堆積密度明顯提高,pression test[ J ]. Powder Technology, 2000, 107(1)由電鏡圖片可以看出半焦表面結構發(fā)生了相應的變131-136.化,這些結構的變化是生物質粉體在熱解后物性發(fā)5]陶珍東,鄭少華.粉體工程與設備[M.北京:化學生改變的根本原因同時從各個方面綜合考慮,工業(yè)出版社,2003中國煤化工CNMHG