生物质木屑热解特性研究

第1期煤质技术2010年1月生物质木屑热解特性研究杨宗仁,李小亮,边文(煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院,北京100013)摘要:通过生物质木屑在管式热解炉内热解行为的研究,详细考查了样品的热解产物产率、热解气组成及温度对热解气产率和热解气组成的影响,得出了生物质木屑样品的基本干馏特性。关键词:生物质木屑;热解;焦油中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号: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生物质概况兼容性等特点,同时生物质组成也是碳氢化合物因而生物质的特性和利用方式具有与煤和石油很大生物质不仅是一种物质资源,而且也是一种潜的相似性,可以充分利用已发展起来的常规能源技在的能源资源,是人类未来能源和化学原料的重要术开发利用生物质能。同时与矿物燃料相比,生物来源之一。生物质是太阳能最主要的吸收器和储存质的挥发组分高,碳活性高,含硫和灰分都比较低器。太阳能照射到地球后,一部分转化为热能,因而,生物质利用过程中SO2、NO2的排放量小部分被植物吸收,转化为生物质能。转化为热能的与煤等矿物燃料相比具有一定的环境效益优势。太阳能能量密度很低,不容易收集,只有少量被人但是,由于生物质的多样性和复杂性,其利用类所利用(如太阳能热水器,太阳能蓄电池),其技术远比化石燃料要复杂和多样。表1为部分生物它大部分存于大气和地球中的其它物质中;生物质质发热量与化石燃料发热量对比。通过光合作用,能够把太阳能富集起来,储存在有机物中。通过燃烧反应和光合作用两个逆过程的匹表1部分生物质与化石燃料的发热量对比配,生物质能形成了完整的循环。生物质能利用闭项目发热量/MJ·kgl循环过程如图1所示。木质生物质(含水率60%)木质生物质(含水率15%)17※稻草·稻糠(含水率30%)11.42排出Co生物质畜禽排泄物(含水率80%)吸收cO,「下水道污泥(含水率99%)0.16曾单高品质能源食品废弃物(含水率90%)0.36设备厨房垃圾(含水率90%)作肥料生物质生产过程转换利用过程ecH中国煤化工图1生物质能利用闭循环过程CNMHG生物质能与常规能源相比,具有洁净、分布天然气(LNG)广、利用形式多、与现代工业技术和生活具有很强乙醇第1期煤质技术2010年1月从表1中可以看出,大部分生物质与化石燃料热解实验工艺参数如下相比,其发热量要低几倍甚至几十倍;另外,生物样品粒度:0.5~0.9mm质分布分散,收集和运输成本高,难以实现集屮处惰性载气:N理,而分散处理则存在技术效率低、规模小、经济载气流量:0.3~0.4L/min效益差等问题,成为目前生物质大规模推广使用的压力:常压主要难题,而若能开发出生物质与其它常规能源温度:200,300,400,500,600,700,800℃(如煤炭)共同利用的技术,则将对解决生物质的升温速率:10℃/min推广应用具有重要推动作用。恒温时间:60min2实验样品选择与分析3实验方法对选用的样品破碎制样,进行分析化验:木屑实验开始前将样品加入到水平热解反应管中,装(白松加工厂锯末)样品化验项目有工业分析、元置如图2所示,先用N2将系统内空气吹净,然后启素分析、全水分、发热量、全硫和CO2反应性,动程序升温控制仪,控制升温速度为10℃/min,分析化验结果见表2和表3达到设定热解温度再恒温1h。热解过程产生的气衰2生物质木屑工业分析态物质经冷凝冷却,水和油被冷凝分离,气体经流量计量后进储气袋。实验结束后,待热解反应器自然降至常温,取出半焦称重,并将之密封保存以备%1-8M·kg气化实验用;气体取样进气相色谱分析仪进行组分6.15.551.7673.8818.8118.41分析;冷凝瓶内的焦油、水经甲苯萃取后蒸馏分离,得出各自的产物产率。通过实验可获得煤样的热解表3生物质木屑元素分析产物半焦、焦油、水、气的产率及热解气的组成。实验结果46.465.3440.45实验取得了大量实验数据,经整理热解实验结生物质木屑样品的基本特征是:全水分含量并果见表4。不高,灰分特低,特高挥发分(Vd为79.71%),生物质木屑主要由纤维素、半纤维素和木质素中等发热量;焦渣特征指数(CRC)显示样品受热种主要组成物及一些可溶于极性或弱极性溶剂的时无黏结和膨胀,样品的热解实验结果也证明了此提取物组成。生物质的三种主要组成物常常被假设特点;低硫,硫形态主要是有机硫;CO2反应活性独立地进行热分解,半纤维素主要在225℃~350℃较高。分解,纤维素主要在325℃~375℃分解,木质素在5中国煤化工1一高压气瓶;2一稳压减压阀;3—气体流量计;4-CNMHG7—冷凝冷却器;8-冰浴;9—湿式气体流量计;10-储气袋;11-气相色谱仪图2热解实验装置流程第1期煤质技术2010年1月表4生物质热解各产率、热解气体组成及热值热解温度/半焦产率/油产率/水产率/气产率/气体组分/%密度/低位热值/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。半纤维素和纤维素主要产生挥热解气组分总的规律是CO和CO2含量要远高发性物质,而木质素主要分解为炭。一般纤维素在褐煤热解气,H2组分含量随温度升高是先升后木材屮平均占约43%。生物质木屑的热分解过程降,在500℃时含量最高。CH4总体趋势是200℃可分为以下三个阶段:以后随温度升高而下降。烃类组分CnH含量要小第一阶段(室温~100℃)是干燥阶段,生物于褐煤,主要与两样品的组成成分有关。质中的水分蒸发,只发生物理变化生物质木屑的热解过程大致可以分为四个阶第二阶段(100℃~380℃)是挥发分析出阶段,即干燥阶段、预热阶段、挥发分析出阶段和段,有机物剧烈分解,析出大量生物油和CH、碳化阶段。热解反应大约在200℃时开始,在CO2、CO、H、C2H及不和烃等气体,生物半300℃~500℃的时候热解反应最为剧烈,产生大量焦碳含量增加的液体和气体。相同的温度下,生物质热解气体中第三阶段(>400℃)是半焦化阶段,析出大CH和H2的体积含量要比褐煤热解气体中的低量CH4和H2等小分子气体,不挥发的固体残余物而煤热解产物中的CO2和CO体积成分要比生物质变成半焦状的残渣,一般不生成胶质体,且无黏结热解气中的低,其原因可由两样品的元素组成差异现象。加以解释。木屑样品热解产物产率和热解气组成随温度变化的规律曲线如图3和图4所示5结语半焦产率·油产率通过对生物质木屑在管式热解炉内热解行为的水产率实验研究,详细考查了样品的热解产物产率、热解气组成及温度对热解气产率和热解气组成的影响,得出如下结论:(1)随热解温度升髙,半焦产率下降,热解气温度/℃产率增加。焦油产率在一定温度范围内一般是先增图3木屑样品热解产物产率特性曲线后降,水产率主要受原样品含水量的影响。→HCH4→CO(2)随热解温度升高,生物质木屑样品热解气+cOCH热值组成中的H2和CH4含量先增后降,CO略有增加,CO2含量波动不大,煤气热值略有波动中国煤化工CNMHG场州人,助理工程师,温度/℃图4生物质木屑热解气产率特性曲线(收稿日期:2009-10-21)