「新能源及藝農(nóng)林生物質(zhì)熱裂解制取合成氣的研究李建芬,肖波,江建方,馬承榮,周蘭倩(1.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院湖北武汊43074;2.武漢工業(yè)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系湖北武漢4003)摘要:以樹葉為原料,利用熱裂解裝置進(jìn)行了試驗,并對裂解產(chǎn)物的組成進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:樹葉熱裂解產(chǎn)物為生物油、合成氣和炭,其合成氣成分主要由CO、CH4、H2和水蒸氣組成。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);熱裂解;合成氣中圖分類號:TQ517.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1004-3950(2006)01-0019-03Study on syn-gas production from agriculture and forestbiomass by pyrolysisLI Jian-fen, XIAO Bo, JIANG Jian-fan, MA Cheng- rong, ZHOU Lan -gian(1. School of Environmental Science Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Department of Chemical and Environmental Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)Abstract: As feedstock, the leaves are proved by the pyrolysis apparatuses in the experiment. And the productions arehe results show that the pyrolysis production are syn-gas, tar and charade up of CO, CHa, co,, H,Key words: Biomass; Pyrolysis; Syn-ga0零③。因此,隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重,為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求,利用農(nóng)當(dāng)前我國能源產(chǎn)業(yè)和環(huán)保領(lǐng)域正面臨嚴(yán)峻挑林生物質(zhì)資源生產(chǎn)制取合成氣,甚至生產(chǎn)汽油,能戰(zhàn),一方面燃料緊缺,大量依賴進(jìn)囗;另一方面我夠同時滿足環(huán)保和燃料供應(yīng)的需求,不僅可節(jié)約國生物質(zhì)資源十分豐富,僅農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量化石燃料資源,而且可減少污染物排放,改善環(huán)境就達(dá)7億t,卻未得到有效利用,甚至被大量廢棄質(zhì)量。所以,開發(fā)和利用農(nóng)林生物質(zhì)生產(chǎn)合成氣或焚燒,嚴(yán)重污染環(huán)境。因此尋找和開發(fā)利用可有廣闊的應(yīng)用前景。本實驗以農(nóng)林生物質(zhì)中的樹再生的清潔能源生產(chǎn)燃料已成為十分緊迫的課葉為原料,通過熱裂解裝置制取合成氣,并探討其題。而生物質(zhì)作為可再生的清潔能源,其開發(fā)利裂解產(chǎn)物的規(guī)律及組成,考察物料特性、溫度、升用已引起世界各國的高度重視溫速率以及滯留時間等工藝參數(shù)對熱解的影響本文擬將農(nóng)林生物質(zhì)通過熱裂解轉(zhuǎn)化為合成為其規(guī)?；瘧?yīng)用提供參考。氣,一方面將可再生的大量農(nóng)林生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料或工業(yè)原料供工農(nóng)業(yè)使用,所制取的合成氣還實驗部分可進(jìn)一步生產(chǎn)汽油等燃料油,緩解日益緊張的1.1實驗原料及設(shè)備能源危機(jī);另一方面可避免大量的生物質(zhì)資源被實驗原料:樹葉等。廢棄或隨意焚燒而造成環(huán)境污染,變廢為寶。同儀器與設(shè)備:實驗裝置包括螺旋加料器、裂解時在農(nóng)林生物質(zhì)利用過程中,SO3、NO,的排放量爐、溫控柜、加熱裝置、粉碎器、旋風(fēng)除塵器、冷凝少,從碳生態(tài)循環(huán)的角度看,CO2的排放量為器中國煤化工、集氣袋、奧氏氣體分收稿日期:2005-11-18YHCNMHG基金項目:湖北省十五科技攻關(guān)項目(2003AA307B02)作者簡介:李建芬(1968-),男,湖北麻城人,副教授,華中科技大學(xué)博士研究生,主要從事固廢資源化和化工環(huán)保方面的研究工作。2006①能源工程19「新能源及攝藝『析儀等。實驗所用裝置如圖1所示。料的破碎程度有關(guān),呈粉末狀,可加工成活性炭用于化工和治煉放空燃燒「在2.1.3液態(tài)產(chǎn)物旋風(fēng)樹葉裂解所得液態(tài)產(chǎn)物為生物油,成分非常復(fù)雜經(jīng)GC-NS聯(lián)合分析,大部分是苯的衍生物螺旋及多環(huán)芳烴。它在高溫時呈氣態(tài),與合成氣混合加料器圓解隱而在低溫時凝結(jié)為液態(tài),其干基熱值約在20MJkg左右,應(yīng)用廣泛}水蒸汽發(fā)生器2.2物料平衡物料平衡就是計算三種產(chǎn)物的收率。本實驗圖1實驗裝置圖以樹葉為原料,消耗量為6.kg,喂入速率為12首先將電爐通電預(yù)熱,在裂解爐預(yù)熱期間準(zhǔn)#·裂解溫度為750℃。物料平衡結(jié)果見1.2實驗步驟備實驗用蒸汽(或不通蒸汽),將預(yù)先粉碎的樹葉表2物料平衡分析結(jié)果送到螺旋加料器中。在裂解爐溫度達(dá)到預(yù)定值并產(chǎn)物產(chǎn)量/kg得率/%穩(wěn)定后,按預(yù)定速度打開螺旋加料器進(jìn)料,開始實合成氣73.8生物油0.35驗。樹葉在高溫下發(fā)生熱裂解而轉(zhuǎn)變成熱裂解20.5氣,在旋風(fēng)除塵器中分離出固體粉塵,進(jìn)入冷凝器2.3影響樹葉熱解的主要因素后,部分熱裂解氣被冷凝形成生物油而被收集,最影響樹葉熱解的主要因素包括化學(xué)和物理兩后從導(dǎo)管中逸出的是合成氣。氣樣用集氣袋收方面。化學(xué)因素包括一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),物集,并用氣相色譜進(jìn)行分析,同時用奧氏氣體分析理因素主要是反應(yīng)過程中的傳熱、傳質(zhì)以及原料儀對所產(chǎn)生的氣體成分進(jìn)行在線分析。的物理特性等。具體的操作條件表現(xiàn)為:物料特2結(jié)果與討論性、溫度、升溫速率以及反應(yīng)的滯留時間等。2.3.1物料特性的影響2.1樹葉裂解產(chǎn)物分析樹葉的種類、粒徑及形狀等特性對樹葉的熱2.1.1氣態(tài)產(chǎn)物解行為和產(chǎn)物組成等有著重要的影響。物料的揮樹葉裂解所得氣體是一種可燃性合成氣,用發(fā)分含量決定其產(chǎn)氣量,本實驗所使用的原料樹氣相色譜儀檢測其成分,并結(jié)合奧氏分析儀在線葉具有較高的揮發(fā)分,故其產(chǎn)氣率遠(yuǎn)高于低揮發(fā)分析的數(shù)據(jù),其成分列于表1。由表可知,合成氣分的稻草、稻殼等廢棄物。物料粒徑的大小是主要由CO、CH4CO2、H2和HQO蒸汽組成。N2和影響熱解速率的決定性因素。大顆粒物料比小顆O2可能是氣體采樣時帶入的空氣。合成氣經(jīng)放空粒傳熱能力差顆粒內(nèi)部升溫要遲緩從而對熱解燃燒,可觀察到該氣體極易燃燒,其火苗呈藍(lán)色。產(chǎn)物的分布造成影響。隨著顆粒粒徑的增大,熱表1合成氣成分解產(chǎn)物中固相炭的產(chǎn)量增大成分含量/%本實驗將樹葉破碎為粉末狀和片狀兩種形9,45狀,以考察其達(dá)到熱裂解溫度所需的時間和對產(chǎn)物得率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):粉末狀的顆粒所需時CO間短,片狀所需時間長。與片狀顆粒相比,粉末狀V山中國煤化工H2O及其它m過性T,溫度是一個很重要的2.1.2固態(tài)產(chǎn)物影響因素,它對熱解產(chǎn)物的分布、組成、產(chǎn)率和熱樹葉裂解所得的固體產(chǎn)物為炭,其形狀與原解氣熱值等都有很大的影響。-20-)數(shù)搪 ENGINEERING2006「新能源及藝隨著熱解溫度的升高,炭的產(chǎn)率減少,但最終致液態(tài)產(chǎn)物迅速減少,氣體產(chǎn)物增加,有利于合成趨于一定值,不可冷凝氣體產(chǎn)率增加,但最終也趨氣的生成。于一定值,而生物油的產(chǎn)率有一個最佳溫度范圍其值為450~550℃。這是由于熱解生成氣體的3結(jié)論反應(yīng)活化能最高,生成生物油的反應(yīng)活化能次之,樹葉熱裂解產(chǎn)物為生物油、合成氣和炭,而其生成炭的反應(yīng)活化能最低。熱解溫度越高,越有裂解所得的合成氣主要成分為CO、CO2、CH4、H2利于熱解氣體和生物油的轉(zhuǎn)化,隨著揮發(fā)物析出和水蒸氣等,其中CO含量較高。合成氣的低位的一次反應(yīng)進(jìn)行得更為徹底,炭的產(chǎn)率降低;進(jìn)熱值為15~20MJ/m3,屬于中熱值可燃?xì)?其成分而,揮發(fā)物中越來越多的大分子的生物油通過二和熱值都與城市人工煤氣相似,而且其硫化物、氮次裂解反應(yīng)生成小分子的氣體烴,從而使得燃?xì)饣锏暮繕O少,因此該氣體是一種優(yōu)質(zhì)燃?xì)?可的產(chǎn)率顯著增加以直接作民用燃?xì)狻?.3.3升溫速率的影響由此可見,采用熱裂解技術(shù)處理農(nóng)林廢棄物,升溫速率一般對熱解有正反兩方面的影響。既可以獲得工業(yè)生產(chǎn)和日常生活需要的氣體燃升溫速率增加,物料顆粒達(dá)到熱解所需溫度的響料,又能達(dá)到廢物利用和保護(hù)環(huán)境的目的。因此應(yīng)時間變短,有利于熱解;但同時顆粒內(nèi)外的溫差開發(fā)和利用農(nóng)林生物質(zhì)生產(chǎn)合成氣既有廣闊的應(yīng)會變大,這是由于傳熱滯后效應(yīng)會影響內(nèi)部熱解用前景,又具有重大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和戰(zhàn)略意義。的進(jìn)行。隨著升溫速率的增大,物料失重和失重速率曲線均向高溫區(qū)移動”。熱解速率和熱解參考文獻(xiàn):特征溫度(熱解起始溫度、熱解速率最快的溫度、「1馬隆龍,肖艷京,任永志·生物質(zhì)氣化發(fā)電[J]·能熱解終止溫度)均隨升溫速率的提高呈線性增源工程,2002,(2):1-3.長。實驗表明:在一定的熱解時間內(nèi),慢加熱速率2]鄭洪麻林巍,李政,等.費(fèi)托合成在我國發(fā)展會延長熱解物料在低溫區(qū)的停留時間,促進(jìn)纖維的新機(jī)遇[J].動力工程,2002,22(1):15-17素和木質(zhì)素的脫水和炭化反應(yīng),導(dǎo)致炭產(chǎn)率增加。[3]廖艷芬,王樹榮,洪軍,等生物質(zhì)熱裂解制取液氣體和生物油的產(chǎn)率在很大程度上取決于揮發(fā)物體燃料的實驗研究[J].能源工程,2002,(3):1-34]方夢祥,陳冠益,駱仲泱.反應(yīng)條件對稻稈熱解產(chǎn)物生成的一次反應(yīng)和生物油的二次裂解反應(yīng)的競爭分布的影響[J].燃料化學(xué)學(xué)報,1998,26(2):180結(jié)果,較快的加熱方式使得揮發(fā)分在高溫環(huán)境下的停留時間增加,促進(jìn)二次裂解的進(jìn)行,使得生物51 Bridgwater a V, Peacocke g V. Fast pyrolysis proces油產(chǎn)率下降,燃?xì)猱a(chǎn)率提高ses for biomass[ J, Sustainable and Renewable Ener-2.3.4滯留時間的影響Reviews,1999,4(1):1-73滯留時間在生物質(zhì)熱解反應(yīng)中有固相滯留時6]劉漢橋蔡九菊包向軍。廢棄生物質(zhì)熱解的兩種間和氣相滯留時間之分。固相滯留時間越短,熱反應(yīng)模型對比研究[J].材料與冶金學(xué)報,2003,2解的固態(tài)產(chǎn)物所占的比例就越小,總的產(chǎn)物量越(2):153-156大,裂解越完全。在給定溫度和升溫速率的條件7]張曉東,周勁松,駱仲泱,等,生物質(zhì)熱解煤氣中焦油含量的影響因素[J.燃燒科學(xué)與技術(shù),2003,9下,固相滯留時間越短,反應(yīng)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中固相產(chǎn)(4):229-234物越少,氣相產(chǎn)物的量越大。氣相滯留時間一般[8]李愛民,李延吉.固體廢物在固定床式熱解爐內(nèi)熱不影響生物質(zhì)的一次熱解反應(yīng)進(jìn)程,而只影響到解產(chǎn)氣特性的實驗研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與液態(tài)產(chǎn)物中的生物油發(fā)生二次裂解反應(yīng)的進(jìn)程設(shè)備,2003,4(4):4-10當(dāng)生物質(zhì)熱解產(chǎn)物中的一次產(chǎn)物進(jìn)入圍繞生物質(zhì)9] Ayhan Demirbas. Gaseous products from biomass by顆粒的氣相中,生物油就會發(fā)生進(jìn)一步的裂化反effects of catalyst on hydro-應(yīng),在熾熱的反應(yīng)器中,氣相滯留時間越長,生物中國煤化工version and management油的二次裂解就越嚴(yán)重,放出更多H2、CO等,導(dǎo)CNMHG2006①能源工程21