生物质制备燃料炭实验研究

第36卷第5期太阳能学报Vol 36, No 5015年5月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAMay,2015文章编号:02540096(2015)05104107生物质制备燃料炭实验研究熊绍武,张守玉,吴巧美,郭熙,董爱霞,陈川上海理工大学能源与动力工程学院热能工程研究所,上海20093)摘要:利用管式固定床炭化装置对棉秆、木屑和竹屑进行炭化实验,利用工业分析仪、快速量热仪和热重分析仪对炭化实验制得的生物质炭进行分析,用木炭和烧烤炭质量指标评价生物质炭质量,用着火温度、燃尽温度和综合燃烧特性指数S评价生物质炭燃烧特性。结果表明随着炭化温度的升高,生物质炭产率和干基挥发分产率减小干基固定碳产率增大,相应的变化速率减小;着火温度和燃尽温度随着炭化温度的升高而升高,S值减小;相比木屑炭和竹屑炭,棉秆炭的燃烧特性最好。对比生物质炭与木炭和烧烤炭的燃烧特性和炭质量发现,木屑和竹屑可用于生产木炭替代品,棉秆可用于制作烧烤炭,500℃为棉秆制备烧烤炭的最佳炭化温度。关键词:生物质;炭化;生物质炭;燃烧特性;烧烤炭中图分类号:TK6文献标识码:A本文在上述研究的基础上,利用固定床炭化装0引言置进行生物质的炭化实验研究,考察温度对生物质生物质炭化技术将生物质在隔绝空气的环境炭产率及炭的组成成分和燃烧特性的影响。通过中加热,析出挥发分,生成生物质炭生物油和生物与传统木炭和烧烤炭对比研究可替代传统木炭和质气等产物,具有很高的经济和生态效益。生物烧烤炭的生物质炭的最佳制备温度。质炭化工艺从传统的窑式炭化已发展出很多种炭化工艺,如回转窑内热式炭化工艺两步式炭化工1实验艺以及多联产炭化工艺等24。国内外学者对生物1.1原料质炭化进行了大量理论和实验研究”。研究表明,随着炭化温度的升高,炭产率减小,气体产率增加实验选用棉秆、木屑和竹屑,其工业分析和元生物质油产率先增大后减小;较大的升温速率有利素分析如表1所示。所有原料均在105℃下干燥于增大气体产率;停留时间越长固体炭产率越小,6h后用破碎机破碎,过筛(16目,小于1m,以用气体产率越大;催化剂和真空有利于提高油产率。于后续炭化实验。表1原料样品的工业分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of the samples工业分析/%,ad元素分析%,ad样品低位发热量MJkg',ad水分灰分挥发分固定碳C][H][oa[N][s棉秆4.253.7872.11198647563.1839970.860.40木屑2131.6480.6715.5653.60278388619.8竹屑2852016.1448.513.3542.200.750.2818.4412干馏炭化实验温控装置、加热炉和供气控制装置3部分组成,如本文使用自制的干馏炭化装置,该装置主要由图1所示。炭化实验开始前,首先将物料在105℃中国煤化工收稿日期:2013-0403CNMHG基金项目:上海市研究生创新基金( JWCXSL1202)通信作者:张守玉(I9Ⅰ—),男,博土、教授、硕土生导师,主要从事低阶煤(褐煤、髙钠煤等)提质,煤炭热解、气化、燃烧,生物质能源化转化利用方面的研究。 zhangsy-guc@163c0m1042太阳能学报36卷恒温干燥2h,然后用电子天平称取40g加入石英成,其炭化过程可分为:失水干燥、预热、快速热解管。连接好气体管路后通入N流量为200mL/min),和炭化4个阶段。第1个阶段为室温-120℃,该30min后,在保证出气无氧情况下开始炭化实验°阶段中,样品持续升温,失去水分,质量略有下降;实验中升温速率为10℃/min,升至设定温度后,恒温30min,然后在N保护下降至室温。炭化完成后第2阶段为120~230℃时,该阶段质量变化很小,生称量炭粉质量计算各温度下的炭产率。所制得的物质组分开始软化,为热解作准备;第3阶段为生物质炭在经研磨后过筛(150目,小于01mm),230-400℃时,是失重的主要阶段析出大量挥发用于后续分析实验。分,失重率达60%;第4阶段为大于400℃温度段,该阶段残留物缓慢分解,C-H和C—O键断裂,形成富碳的固体残渣9。为研究生物质炭化制备生物质炭,本文选取400-800℃进行炭化实验,实验结果见图2棉秆木屑1.气瓶2.减压阀3.转子流量计4.石英管物料6.管式炉7.热电偶8.温控仪图1炭化实验装置图Fig. 1 Schematic diagram of the carbonization experimentalapparatus600炭化温度/℃13工业分析实验图2不同炭化温度下生物质炭干基产率使用长沙开元仪器有限公司生产的5EMACⅢFig. 2 Bio-char yield on dry basis of the samples under红外快速分析仪对生物质炭粉进行工业分析,实验样different carbonization temperature品为炭化实验制得的生物质炭粉(粒径小于01mm),每次用料1g,进行重复实验。由图2可看出,3种生物质的炭干基产率随炭化14燃烧热重实验温度的升高而减小。在相同的炭化温度下,棉秆的使用美国TA公司生产的Q500热重分析仪进千基炭产率明显高于木屑与竹屑,产率最高可达行燃烧热重分析实验。取10mg在105℃下恒温干37%,而竹屑和木屑干基炭产率在25%~33%之间。燥2h的生物质炭粉样品,均匀放入热重分析仪的50-800℃生物质炭干基产率降低速率趋缓,产率趋陶瓷坩埚中,在干燥空气吹扫(60mL/min)下以于稳定,说明在550℃时,生物质炭化已基本完成。10℃/min的升温速率升至960℃15发热量分析实验22生物质炭质量分析使用德国IKA公司生产的C200快速量热仪对生物质炭质量的优劣与其固定碳含量、挥发分生物质炭粉进行发热量分析。取1g在105℃下恒产率灰分产率和发热量有关,固定碳含量越高灰温干燥2h的生物质炭粉样品,进行重复实验。分产率和挥发分产率越低生物质炭品质越好。灰2结果与分析分产率主要影响生物质炭的灰渣特性和发热量,本文不考虑V中国煤化工比主要分析固定21生物质炭产率分析碳含量CNMHG化温度下生物生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组质炭的工业分析和热值见表2。5期熊绍武等:生物质制备燃料炭实验研究1043表2炭化实验和生物质炭物性分析结果Table 2 Results of carbonization experiment and physical analysis of bio-char原料炭化温度/水分/灰分/挥发分/固定碳/灰分!挥发分/固定碳低位发热量/%%%,d%,d%,d5.6530.2364.1226.1606.5724.5164.1867.35005.49808195066938.5520.6470.8126979棉秆71.18739028.2534.169.219617004.48935108575.3297911.36278855859.748.7480.3810.349.280.38269662.77390287864.554.01290854504.11228570.104.2423.5472.222.394.5774.174.6831.426竹屑5502.554.8113.9278.724.942.704.951l.73万0883195832.18428754683.1931.3034.115.3873583.165.607.6730.3076692287554502.843.7424.7271.542923.8574.0876.30木屑78.67152480.4731.83760011.404.37320162.434.377794.488005.6589.8731.666木炭9671.3294529223烧烤炭5.9429960453.3332.4126.6833种生物质在不同炭化温度下制得的生物质炭其挥发分产率和固定碳产率的变化速率趋缓,说明的固定碳产率和挥发分产率如图3所示。可看出,生物质炭化过程中,挥发分的析出在600℃已基本随着炭化温度的升高,生物质炭干基挥发分产率减完成,且低温段挥发分析出比高温段剧烈。由图2、小,干基固定碳产率升高,在600-800℃热解温度段图3可看出,挥发分析出和固定碳产率增加基本完30棉秆炭棉秆炭竹屑炭竹屑炭木屑炭木屑炭20炭化温度/℃YH中国煤化工a.干基固定碳含量图3不同炭化温度下生物质炭干基固定碳含量及生CNMHGFig 3 Fixed carbon content on moisture free basis volatile on moisture free basis yield of different carbonization temperature bio-char1044太阳能学报36卷成的温度比生物质炭化基本完成的温度高50℃,这着火温度、燃尽温度和综合燃烧特性指数S对生物是因为在生物质炭化阶段解聚反应和缩聚反应同质炭的燃烧特性进行分析。生物质炭的着火温度时存在,在较高的热解温度下析出的挥发分物质是通过 TG-DTG联合定义法确定的,即过DTG曲线可发生缩聚反应生成炭黑,使炭产率变化速率趋峰值A点作垂线与TG曲线交于B点,过B点作缓,挥发分产率和固定碳产率变化速率加快。因TG曲线的切线交TG曲线失重开始平行线于C点,此,挥发分析出和固定碳产率增加基本完成温度相交点C对应的温度即为燃料的着火温度,如有多峰,同且高于炭化完成温度。则取第一峰值点与TG曲线交点来确定。燃尽温度种生物质炭的低位发热量如图4所示。可取转化率达99%时对应的温度,S按式(1)计算。看出,在400-800℃内,生物质炭的低位发热量先迅S=W·W=)/T727(1)速增大后缓慢减小,且棉秆炭、竹屑炭和木屑炭的式中,W、W——分别为最大燃烧速率和平均发热量峰值温度分别为550、600和700℃。在生物燃烧速率,%/min;T;——着火温度,℃;T,—一燃尽质炭化过程中,大量挥发分的析出使灰分产率和固温度,℃。定碳产率增加。在低温段,析出大量的挥发分,主在不同温度下制得的生物质炭燃烧特性指数要包括低热值气体(如CO2及热解水等),表明生物见表3。可看出,在相同炭化温度下,棉秆炭的着火质中含氧组分分解,同时,固定碳产率增加,而灰温度和燃尽温度最小,其次是木屑炭,竹屑炭最大分产率增加速率较慢,生物质炭热值增大;在高温随着炭化温度的升高,棉秆炭、竹屑炭和木屑炭的段,析出的挥发分主要是高热值气体(如H2、CH)着火温度和燃尽温度的升高,S值减小,燃烧特性变和焦油等,且固定碳产率增加较慢,灰分产率对生差;最大燃烧速率和平均燃烧速率随炭化温度的升物质炭发热量影响变大,生物质炭热值降低。由高无明显变化规律。由此可知,炭化温度升高挥于灰分产率对发热量的影响使不同生物质炭发发分产率减少,使生物质炭反应活性降低,导致着热量峰值各不相同,生物质原料灰分越高,炭化过火温度和燃尽温度升高,S值减小,燃烧区间向髙温程中灰分富集速度越快,灰分对生物质炭热值影方向移动。而燃烧温度的升高使生物质炭的燃烧响越大,生物质炭发热量峰值所对应的温度变速率增大,所以生物质炭的燃烧速率变化呈无规小。由表1可看出,生物质原料的灰分产率关系律状。依次为棉秆>竹屑>木屑,因此生物质炭的发热量表3生物质炭燃烧特性参数峰值所对应的温度关系依次为棉秆<竹屑<木屑。Table 3 Combustion characteristic parameters of thebio-chans棉秆炭原料炭化T/T,/W。S×10温度/℃℃℃%500336.2496.16.02140024.297600338.651286.1573.8914076棉秆700357.0528458173.7783.26353513.5692.66664053.9042.684600437.1598.56.2723.9702.178炭化温度/C竹屑700467.5616.36.5463.9911.940图4不同炭化温度下生物质炭低位发热量800496.6634.166303.8451.630Fig. 4 Net calorific value of the bio-chars under different500390.654406.5564.2513.359carbonization temperature木屑604104570761434,32927673.8841.77623生物质炭燃烧特性分析中国煤化工3.7471452CNMHG生物质炭的燃烧特性包括着火温度、着火稳定性、燃尽温度、燃尽率和稳定燃烧特性等本文选取娆烧烤炭361.752896.1113.8543.4055期熊绍武等:生物质制备燃料炭实验研究104524生物质制备燃料炭分析炭;700℃时的棉秆炭着火温度和燃尽温度低于烧目前使用较多的燃料炭主要有两种:一种是木烤炭,Ss值略小于烧烤炭;木屑炭和竹屑炭的着火炭,主要用于生活燃料、冶金行业等;一种是烧烤炭,温度和燃尽温度均大于烧烤炭,S值小于烧烤炭主要用于食品行业如(火锅店、烧烤店)。木炭和S值。烧烤炭的质量标准见表4和表5。结合表2与表综合考虑炭质量和燃烧特性要求,3种生物质4可看出,生物质炭的灰分产率普遍高于木炭,仅有炭可用于生产燃料炭用作生活燃料,炭化温度在炭化温度在450-800℃时的木屑炭和炭化温度在450-800℃之间的木屑炭和炭化温度在450-600℃450~600℃时的竹屑炭能满足质量要求最低的阔叶的竹屑炭可用于对质量要求高的冶金行业。虽然棉秆炭的高灰分产率达不到烧烤炭的要求,但远低木炭的指标。若不考虑灰分产率,则炭化温度高于于灯700℃的棉秆炭、炭化温度高于550℃的木屑炭和于烧烤炭块的要求,并且其优异的燃烧特性使其成竹屑炭均能达到硬阔叶木炭质量指标,且生物质炭为一种良好的烧烤炭生产原料。因为在烧烤炭制无炭头和杂物。由表2和表5可看出,炭化温度高作时,为改善烧烤炭的燃烧性能,需加入助燃剂,而于500℃的木屑炭和竹屑炭均能满足烧烤炭的满助燃剂大部分是不可燃成分,棉和炭优异的燃烧特足烧烤炭块的质量指标。这说明,从质量要求上性使其可少加甚至不加助燃剂,所以棉秆可用于制木屑和竹屑可用于生产可替代阔叶木炭使用的生作烧烤炭块。考虑炭产率的影响棉秆炭化制作烧物质炭,且木屑适宜的炭化温度为450-800℃,竹屑烤炭的最佳炭化温度为500℃。为450-600℃;棉秆可用于生产对灰分产率要求不3结论高的生活用燃料炭;3种生物质均可用于生产烧烤炭。1)生物质炭产率随着炭化温度的升高而减小表4木炭质量指标炭产率在550-800℃时其炭产率趋于稳定。3种生Table 4 Quality standard of charcoal物质中,棉秆的炭产率最高,在29%-37%之间,木水分灰分/固定碳屑和竹屑炭产率相近,在25%~33%之间项目炭头、杂物2)随着炭化温度的升高,生物质炭的固定碳产硬阔叶木炭≤10率增加,挥发分产率减小。生物质炭干基固定碳产阔叶木炭≤12≤50≥65率的增加速率和挥发分产率的减小速率在600松木炭≥65800℃时趋缓。表5烧烤炭和烧烤炭块的质量指标3)随着炭化温度的升高,3种生物质炭的发热Table 5 Quality standard of barbecue charcoal and barbecue量均先增加后减小,但峰值温度和大小不同。棉秆harcoal briquettes炭的峰值温度为550℃且峰值最小,竹屑炭峰值温水分!灰分/固定项目堆密度度为600℃,木屑炭为700℃,竹屑炭峰值略高于木%,d碳%,d屑炭。烧烤炭≤8%≤8%≥1304)随着炭化温度的升高,生物质炭的着火温度烧烤炭块≤8%≤18%≥60%和燃尽温度升高,其中棉秆炭的着火温度和燃尽温燃烧性能是评价燃料炭优劣的重要指标,尤其度最小,且受炭化温度的影响也最小。S值随着炭是烧烤炭,但目前尚无有关燃料炭燃烧性能方面的化温度的升高迅速减小,棉秆炭的S值最大,综合标准。本文选用农村家用的传统窑烧木炭和市场燃烧性能最好。上的机制烧烤炭作为对照,以本文所制得的生物质5)对比传统木炭和烧烤炭的质量和燃烧特性,炭是否能满足燃料炭燃烧特性的要求。由表3可3种生物质炭均可用于生产木炭的替代燃料炭,炭看出除800℃时的竹屑炭着火温度略高于木炭和化温度在450°问的士团和炭化温度在800℃时的木屑炭S值略小于木炭外,其余生物质450-60℃的更高的冶金行炭的着火温度、燃尽温度和S均优于木炭;500℃业。棉秆可CNMHG八、,⊥L实验条件下和600℃时的棉秆炭各项燃烧特性指标优于烧烤棉秆制作烧烤炭的最佳炭化温度为500℃104太阳能学报36卷2011,32(5):735-740[参考文献][7] Lai Yanhua, Lu Mingxin, Ma Chunyuan, et al. 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Theignition temperature, the burnout temperature and the comprehensive combustion characteristic index(S)are used toevaluate the combustion characteristics of the bio-chars. The results indicated that as the carbonization temperaturencreased, the yield of the biochars and the yield of volatile in the bio-chars on dry basis decreased, the fixed carbonyield increased, but their changing rates decreased. The ignition temperature and burnout temperature increased and thevalue of S decreased with the increasing carbonization temperature. The combustion characteristic of bio-char obtainedfrom cotton stalk is the best compared with that of those from the sawdust and bamboo. Compared with the commercialcharcoal and barbecue charcoal it was found that the bio-chars from the sawdust and bamboo could be used to substitutefor charcoal, while the cotton stalk could be used to prepare barbecue charcoal and the optimal carbonization temperaturewas500℃Keywords: biomass; carbonization; bio-char; combustion characteristic; barbecue charcoal中国煤化工CNMHG