生物质焦油热物理特性研究

第20卷第5期华中农业大学学报2001年10月Joumal of Huazhong Agricultural Universityet.2001,493生物质焦油热物理特性研究张全国徐国强杨群发李冠峰张泽星李刚徐桂转河南农业大学可再生能源农业部重点开放实验室,郑州45000摘要对生物质气化过程伴生的焦油馏程发热量、粘度闪点燃点、碳氢元素含量等热物理特性进行试验研究,结果表明,生物质焦油经过精制分馏后温度在200℃C以下时的馏分为轻质油分,其闪点和燃点均接近于柴油的闪点和燃点,可作为发动机代用液体燃料;在200℃以上时的馏分为重质油分,且发热量和粘度随蒸馏温度增加而逐渐升高,可作为多种化工原料进行资源化高值利用。关键词生物质;气化;焦油;热物理特性中图法分类号X712生物质气化技术是近年来发展比较迅速的一种设计开发出高效、适用的生物质焦油脱除与综合利生物质热化学转换技术,气化过程中伴生的生物质用装置提供重要的科学参考依据推动我国生物质焦油经净化系统后,一般均未做任何处理而直接排气化技术的研究开发与推广应用。放不仅会浪费资源,其中含有的多种有机物如醛类醇类、酚类等还会对农业生态环境造成不同程度1材料与方法的危害。目前国内外对生物质焦油的研究已开始1.1原料引起重视但多集中在生物质燃气净化脱焦技术与试验所用的焦油取自河南省新郑市王毕庄秸秆新型装置的研究开发上,对其综合利用技术领域的气化集中供气站,经自然干燥后即作为本文中的原研究较少,尤其是有关生物质焦油热物理特性等方面的研究报道甚少1因此生物质焦油的处理以焦油试样。及资源化利用问题是当前生物质气化系统亟待解决1.2试验方法的重要课题之一,全面了解生物质焦油的热物理特1)焦油馏程测定。馏程测定是指将焦油试样在性已成为国内外研究生物质焦油脱除与综合利用技加热袭馏的条件下求出试样蒸馏温度与馏出体积术的基础性研究工作。本文主要针对焦油的热物理百分数之间的关系的实验方法馏程是评价液体燃特性如焦油馏程、焦油各馏分碳氢元素、焦油发热料产品蒸发性大小的主要指标。本文根据国家标准量、焦油粘度焦油闪点及燃点等进行实验研究,为CB/m2588油产品馏程测定方法)所规定的干爍净化系统净化妒净化管PPO3无水皮轮化炉电解池高锰酸镁高氰酸镁云侧了包)速热E的/热解“物吸收杂质图1C、H元素测定原理图Fig. I Schematic view of the measurement of carbon -hydrooeof the tar samoles中国煤化工稿日期:20001222CNMHG河南省九五大科技攻关项目(编号张全国,男,1958年生教授,工作单位:河南农业大学可再能源农业部重点开放实验室,郑州400华中农业大学学报第20卷方法进行试验。2)焦油碳氢元素测定。图1为BCHI型焦油碳2结果与分析氢元素测定仪器示意图。当把放入试样的燃烧舟推21不同温度条件下的焦油蒸馏与冷凝规律至(800±10)℃石英燃烧管后,高温下试样燃烧分焦油馏程试验分别在8个温度区域且完全相同解则氢(H)转化为H2O,碳(C)而转化为CO2。转化的试验条件下各重复进行了3次试验,结果采用3生成的H2O和CO2在干燥过滤后的氧气流吹动下次试验结果的平均值如图2所示经过PQ3铂电解池,P2O3吸收H10转化成HO3后由图2可以看出,当温度控制在20℃以内时,即产生电解反应随着电解的进行,HPO3变少,而电冷凝出的馏分为点滴状,颜色浅,轻质油;而当超过解后的Q2和H排出,P2O3则再生复原200℃时冷凝出的馏分为絮状,颜色较重,为重质油分。在100℃和200℃左右,馏分量比较大。焦油平均馏分比(y)与温度(x)相关关系的回归方程为y=-285.17-0.5x3-0.0397x2+6.3121x其相关系数R=0.9875显然,由图2还可以看出,焦油的蒸发量在100℃左右和200℃左右都比较大。由于在100℃时的馏分中含有大量的化学结合水,故焦油的蒸发量温度 Temperature/℃主要集中于120℃以上,并在200℃左右呈现峰值。22焦油及其各种馏分试样的碳、氢元素含量2焦油馏程实验曲线燃料中碳氢元素含量是评价燃料质量好坏的两Fig. 2 The experimental curve of the个主要参数。碳氢的含量直接影响燃料发热量的大distillate range of the tar小和燃烧的难易。一般来讲,燃料中碳氢元素的含H2O由电解池吸收后,CO2则吹入装有碱石棉量越高燃料的发热量就越大。焦油及其各种温的U形管被吸收剂碱石棉吸收,故焦油碳氢元素含度下馏分试样的碳氢元素含量试验结果如图3和图量可分别由式(1)和式(2)计算出。4所示。x00%x100%式中:Had—空气干燥基焦油氢元素含量,%度 Temperature℃m电解后的氢质量,mg;图3氢元素分析实验曲线Cad空气干燥基焦油碳元素含量,%;Fig. 3 The aurve of hydrogen elementa-CO2折算为C的系数,本文中取为02729;mc-碱石棉吸收的CO2质量,mg;m一空气干燥基焦油试样质量,mg。3)焦油发热量测定。焦油发热量测定参照国家50100150200250漫度 Temperature℃标准GB/T8481(石油产品发热量测定方法)规定的方法进行。图4碳元素分析曲线4)焦油粘度测定。焦油粘度根据国家标准GBFig 4 The curve of carbon element126688(石油产品恩氏粘度测定方法)所规定的方曲线图3和图4可看出,试样的含碳量随馏法,用恩氏粘度计进行测定。分温度中国煤化工发热量就大。5)焦油闪点及燃点测定。焦油闪点及燃点测定而含氢CNMHG主要是由于在参照国家标准CBT267-88(石油产品闪点与燃点测100℃左右所蒸发的馏分中有一定量的水,在进行测定方法)所规定的方法进行。定的氢元素结果中含有水中的氢元素,故在低温段第5期张全国等:生物质焦油热物理特性研究表1焦油及其各种馏分试样的发热量Tahe 1 Calorific values of the tr and various distilatesk/kg试样 Samples原焦油残馏物210~215℃200-210℃180~200℃160-180140~160℃M0℃Raw tar弹筒发热量29110.7936813.0135979.832460.628709.926404.124969.68663.99Calorific value determination in a steel bn高位发热量28998.l136728,2335930.932396.2286942644.224926.18635.17Gmes calorific value出现了高的含氢表2焦油及其各种馏分试样的粘度特性试样中氢含量(Had)与试样蒸馏温度(x)相关Table 2 Viscosity of the tar and various distillates关系方程为序号Nder试样 Samples运动粘度 viscosity/m2:g76,2380-0+0.0004x30.1022x2+10.032x-357.21相关系数R=1120-210℃14.82x10-6试样中碳含量(Cad)与试样蒸馏温度(x)相关关系方程为本文所测得的3个值中,100和10℃馏分的粘ad=-318.4252-0.5x3-0.0218x2+度值都较小,远远低于12℃以上所测得的粘度值。粘度是表示液体流动时,2个平行液层之间发生相关系数R=0.9933相对运动的摩擦阻力大小的指标,即是液体的内摩23焦油及其各种馏分试祥的发热量规律擦影响在动力蒸发条件下,液体燃料通常先雾化为焦油及其各种馏分试样的发热量试验结果亿细小的液体颗粒然后再快速蒸发。燃料的粘度对燃表1。料雾化的质量有很大的影响。粘度小的燃料雾化时,可以看出,随着焦油馏分温度的升高,馏分的弹因为所需克服内摩擦而消耗的力较少,所以雾化时颗筒发热量和高位发热量亦越大。馏分在120℃以下粒较细,蒸发表面增大结果使燃料的蒸发速度增大。的发热量比较低,而在120℃以上的发热量则逐反之粘度大的燃料雾化较困难,蒸发速度较低。所升高。表明焦油在20℃以下的馏分中所含水分量以燃料粘度对发动机的正常工作至关重要。比较大,而120℃以上的馏分基本不含有水分。本2.5焦油镏分试样的闪点及燃点特性文对实验数据进行非线性回归处理后得出了不同3种典型焦油馏分试样的闪点及燃点特性试验馏分温度(x)与弹筒发热量(Q)和高位发热量结果见表3。本文在对焦油的3个不同温度馏分的(Q)的回归方程式分别为闪点及燃点试验中,温度小于110℃以下的馏分均无燃烧现象,在120-160℃温度段的馏分的试验闪弹筒发热量点和燃点比较接近,而在200℃的馏分闪点和燃点Q=00075x3+3.3212x2-195.72x+29843均接近于柴油的闪点和燃点。相关系数R=0.9583。表3焦油馏分试样的闪点及燃点特性高位发热量Table 3tion temperature and flash point of the tar distillatesQgx=-0.007x+3.0983x2-164.07x1181.5序号试样(馏分闪点燃点相关系数R=0.9582H中国煤化工ation temperature24焦油馏分试样的粘度特性CNMHG焦油馏分试样的粘度试輪结果见表2,测定时的环喑温度为20℃。20左右97496华中农业大学学报第20卷3结语油和生物质沥青增塑剂等。生物质焦油外观呈黑色粘稠油状物,是包括烃类、酚类、酸类、醇类、醛类、酯类等多种有机成分在参考文献内的复杂混合物。从本试验结果可知生物质焦油1戴林李景明,Ra0amd中国生物质能转换技术发展与评蒸馏时,110℃以下的酸水馏分可以和木醋液一道价北京:中环境科学出版社,198进行加工利用;110-190℃的轻油馏分的发热量和2中国农村能源年鉴编辑委员会中国农村能源年鉴北京:中国农碳氢元素含量都比较高,粘度闪点及燃点与车用柴业出版社,9油基本接近,具有适当的蒸发性、良好的燃烧性和高李玲.石油及石油产品实验方法标准汇编.北京:中国标准出版度的安定性符合发动机对液体燃料的质量要求完4王素兰生物质焦油物化特性与燃气净化装置研究{颗上学位论全可以作为发动机的代用液体燃料:190℃以上的杂文],郑州:河南农业大学,0酚油馏分以及残留物可进一步加工制造生物质焦油5孔书轩,生物质燃气净化系统的研究:[十学他论文】郑州:河抗聚剂、生物质焦油抗氧剂、工业杂酚药用生物质焦南农业大学,99Experimental Study of the Thermophysical Characteristics of Biomass TarZhang Quanguo Xu Guoqiang Yang Qunfa Li Guanfeng Zhang Zexing Li Gang Xu GuizhuanAbstract Thermophysical characteristics such as the distillate range, calorific value, viscosity flash point ignition temperature and content of carbon and hydrogen of the raw tar and tar distillate samples were analyzed the resultsshowed that with condensed distillate the biomass tar is of light color if the temperature is below 200C and the ignitiontemperature and the flash point were almost equal to those of diesel oil. But if the temperature is above 200C the massof the condensed distillate is more than that at other temperatures. The calorific value and viscosity of the distillatevere much and much higher with increase in the temperature of the distillate. It is evident that the distillate of the tarbelow 120C contained more water than above 120C. So, the tar distillates above 120c may be used as the fuels ofnotors. The experimental results provides the resourees-utilizatioof biomass tar derived frum crop stalksKey words biomass, gasification, tar, thermophysical characteristics(责任编辑:杨锦莲中国煤化工CNMHG