煤与生物质恒温热解比较研究

200年1l月农机化研究第11期煤与生物质恒温热解比较研究李钢,舒新前,毕东东,丁兆军,张蕾,张磊(中国矿业大学清洁能源与环境工程研究所,北京100083)摘要:在实验室自制固定床热解反应器中,选择了两种煤(神华煤和灵武煤)和3种生物质(花生壳核桃壳和木屑〕作为实验材料,定量化分析比较了恒温热解和同温热解停留时间对煤与生物质热解产氢及热解油、热解焦产率的影响。研究认为:实验用煤与生物质催化热解表现出基本相同的热解趋势,即提高热解温度和延长热解时间(对生物质添加合适催化剂)都有利于产氢;对煤而言,提高热解温度和延长热解时间还利于热解油生成,但对生物质而言,效果不很明显。关键词:农业程;生物质;试验;煤;恒温;热解;氢气中图分类号:S216文獻标识码:A文章绵号:1003-188X(2007)11-0155—04对恒温热解和热解停留时间对热解产物影响的定量0引言分析却不多见。本文主要讨论了煤和生物质分别在煤是我国最主要的能源,但是长期以直接燃烧600℃,700℃,800℃3个不同恒定温度下热解(实利用为主,造成环境污染。考虑煤所含有的有机组验开始后,以较髙的升温速率升至所需温度后保持分,直接燃烧并不能发挥其最大潜能,而热解作为一定时间),研究比较了热解后产生氢气的产率、产种煤清洁利用的重要方式可使其产品利用更加有量随停留时间的变化规律及热解油、热解焦产率分效(因为煤热解后的产物不但产生含氢可燃气,还布情况包括热解油和高活性固体热解焦)。生物质是种可再生资源,其能源化利用亦受到关注,常规技1实验概况术有气化、燃烧和水解等。生物质热解也是一种将选择神华煤(产地:陕西省神木县)和灵武煤生物质转化为富氦燃料气的有效转化技术2。(产地:宁夏回族自治区灵武市)进行试验。煤样在对煤和生物质的热解研究中,国内外学者目粒度范围控制在3m左右。工业分析、元素分析如前对其催化热解机理、升温速率影响、混烧方式以表1所示。两种煤的灰分、硫分较低,属高挥发分及反应动力学等已经进行了较多地研究-",但是烟煤。表1实验煤样的工业分析和元素分析工业分析元素分析样品StdVdafFCd神华煤8,0859,7978.05.0315,76灵武媒6.2434.3661.514.550.7315.39生物质选择核桃壳、花生壳、木屑3种农林废种样品的水分,都在5%左右。但是灰分则有较大差弃物为原料进行热解。实验前对各实验样品进行破别,木屑灰分仅1%左右,花生壳3.73%,花生壳灰碎,然后进行预筛分。核桃壳、花生壳粒度范围控分则高达10%;挥发分总体较高,都在60%以上。制在3~5mm,木屑粒度范围控制在0.5~1.0m。核实验在固定床热解反应管式炉密闭环境下进桃壳、花生壳、木屑的工业分析结果如表2所示。3行热解。所有实验物料统一为20g。具体实验流程收稿日期:2007-02-26可参考文献[12,13]。气体分析装置为SP2100型气基金项目:国家自然科学基金重大研究计划项目(9061004);北相色V凵中国煤化工京市教委重点学科资助项目(XK102900477)作者简介:李钢(1978-),男,河北唐山人,博士生,(E-mai1CNMHG载气:氦气、氮气,流速30mL/m通讯作者:舒新前),男,陕西城固人,教授,博士生导师标气:49.20%H2,14.90%CH4,14.90%c0(e-Mail)shuxinqian@126.com2007年11月农机化研究第l1期0.00%C02,0.98%C2H气产量随恒温停留时间的变化色谱柱:GDX502,内径3mm,柱长为5m填充柱600℃-700℃800℃5A分子筛,内径3m,柱长3m填充柱柱箱温度℃/:70进样器/℃:100TCD/℃:10桥流/mA:174热丝/℃停留时间/min色谱柱在运行一段时间后进行活化。图1神华煤热解产气中氢气产率随恒温停留时间变化规律表2实验生物质样品的工业分析wt%60600℃-700℃800℃样品水分(Mad)灰分(Ad)挥发分(vdaf)40核桃壳花生壳62.95木屑4.38L.184.35本文中所提到的催化剂指占试验物料质量的MnO2,在进行催化热解实验时,催化剂必须均匀停留时间/min地分散在实验样品中。图2灵武煤热解产气中氢气产率随恒温停留时间变化规律从图1和图2中可以看出,两种实验煤样表现2实验结果分析出相同的热解趋势,即恒定热解温度提高和在同21氢气产率、产量随物料恒温停留时间的变化恒定热解温度下停留时间延长都会有利于氢气产图1和图2分别为神华煤样与灵武煤样热解产生。热解温度每升高00℃,则氢气产率提高10%~气中氢气产率随600℃,700℃,800℃3个恒定温度20%左右;在恒温800℃,热解17min条件下都有最停留时间的变化规律。表3表示的是热解产气中氢大氢气产量,分别是369.886m和389.233mL表3煤热解产气中氢气产量随恒温停留时间产量变化停留时间神华煤灵武煤恒温600℃恒温700℃恒温800℃恒温600℃恒温700℃恒温800℃12966.29297,956120.13728,56595.243132.5726.049281.007369.886240.929389,23322生物质热解后氢气产率、产量随物料恒温停留-700℃-600℃加催化剂700℃加催化剂800℃加催化剂时间的变化图3-图5分别是核桃壳、花生壳、木屑在无催化剂及2%的n02存在的情况下,热解产气中氢气产率随恒温停留时间的变化规律。→800℃停解时间/min600℃加催化剂-700℃加催化剂一800℃加催化剂图4花生壳热解产气中氢气产率随恒温停留时间变化规律800℃-600℃加催化剂-700℃加催化剂。800℃加催化剂中国煤化工5CNMHG停留时间/min停留时间/mi图3核桃壳热解产气中氢气产率随恒温停留时间变化规律图5木屑热解产气中氢气产率随恒温停留时间变化规律2007年11月农机化研究第11期由图3~图5中可以看出,无论催化剂存在与比较有效地提高生物质热解产氢的方式。否,氢气产率都随恒温停留时间的延长而升高;而表4~表6分别为核桃壳、花生壳、木屑在无恒温热解温度提高,几种生物质热解产气中的氢气催化剂及2%Mn02存在情况下,其热解产气中氢气产率也会提高。在2%二氧化锰作为催化剂存在情况产量随恒温停留时间变化规律。从表4-表6中可下,在相同热解温度祭件,氢气浓度也都比不添加以看出,无论催化剂存在与否,热解终温越髙,氢催化剂时要高。所以,提高恒温热解温度、适当延气产量越高。对同一恒温热解温度而言,添加合适长物料恒温热解停留时间和添加合适催化剂,都是催化剂有利于提高氢气产量。表4核桃壳热解产气中氢气产量随恒温停留时间产量变化停留时间无俚化剂有催化剂恒温600℃恒温700℃恒温800℃恒温600℃恒温70恒混800℃0-2l8.64531.48814.93434.5595,68018.99911.27415,11047.10311,598114.4677.782121.175表5花生壳热解产气中氢气产量随恒温停密时间产量变化停留时间无催化剂有催化剂恒淵600℃恒温700℃恒温800℃恒温600℃恒温700℃恒800℃14.76846.05944.07420.3155.3112-75.74357.90949,14844.90385.9757~1762.53953.71139.37591.87559.284166.507146,93371.09539.589243.5表6木屑热解产气中氢气产景随恒温停留时间产量变化停留时间有催化剂恒温600℃恒温800℃恒温600℃恒温700℃恒温800°C35.3456.00522.04721.05243.29211.24742,288231.747629151.021212306181:017134.5032.3煤与生物质恒温催化热解制备热解油、热解焦煤热解液相、固相产率比较,如表7所示。产率比较表7煤热解液相、固相产率比较t神华煤灵武煤恒温600℃但温700℃恒温800℃恒温600℃恒温700℃恒温800℃液相产率10.02.县固相产率72.5466.0476.7069.2167,28由表7可以看出,随着热解温度的提升,两种可见因生物质不同,热解温度变化和催化剂存在与实验煤样热解后液相产物产率逐步上升,而固相产否在Ⅵ中国煤化工固、液相产物的分布率都呈现下降趋势,即增加热解温度有利于热解油规律CNMH是否添加催化剂)受的生成。热解温度影响相对较小;液相产率变化规律较为复表8表示3种生物质热解固、液相产率情况。杂,文献[12]的结论表明液相产物产率在某种程度1572007年11月农机化研究第11期上与热解入料挥发分呈对应关系,即挥发份高的原料会产生较多的热解油。表8实验生物质热解液相、同相产奉比较t无催化剂有催化剂恒温600℃恒温700℃恒温800℃恒温600℃恒温700℃恒温800°C核桃壳42.5042.0034.9942.01液相产率花生壳28.4木屑40.5135.5044.9926.0042.50±1,99核桃壳26,47花生亮28.86木屑23.10263结论机理[引].山东理工大学学报(自然科学版),200418(2):33-361)煤、生物质在不同恒定热解温度下热解产氢[4」张磊,张世红.生物质与煤混烧技术的应用[J特性。恒温热解温度变化对实验用煤和生物质热解能源技术,2006,27(4):158-160产气中氢气产率和产量产生的影响基本相同:即恒[5]李世光,徐绍平.煤与生物质的共热解[门].煤旋转温热解温度越高氢气产率也较高;延长在某一热解化,2002,25(1):7-12温度下停留时间,一定程度上有助于氢气产率提高,[6]刘豪,邱建荣,吴昊,等.生物质与煤混合燃烧但是不如提高热解温度后氢气产率增加的明显。而污染物排放特性研究[.环境科学学对生物质而言,同一温度,同种样品在有催化剂存报,2002,22(4):484-488在情况下恒温热解产气中氢气产率、产量与未添加7]朱恂,李刚,冯云鹏,等重庆地区7种生物质催化剂相比要高。的成分分析及热重实验[J.重庆大学学报(白然科2)煤、生物质在不同恒定热解温度下热解油、学版),2006,29(8):44-48热解焦产率比较。对实验用煤而言,提高热解温度[8]金保升,仲兆平,周山明城市固体废物(XSW)热解和延长热解时间都利于提高热解油产率;对生物质特性及其动力学研究[].工程热物理学报,1999而言,由于各种生物质成分差异,热解温度变化和20(4):510-514催化剂存在与否对热解后固、液相产物分布情况的9]程世庆,尚琳琳,张海清.生物质的热解过程及其动影响较为复杂。其中,固相产率(无论是否添加催力学规律[J.煤炭学报,2006,31(4):501-50化剂)受热解温度的影响相对较小,液相产物产率[10 WALLMAN,P.H. THORSNESS,C.B.1NTER,J,D.Hyd变化情况还有待于进一步研究。rogen Production from Wastes[T. Energy, 1998综上,实验用煤与生物质通过催化热解表现出23(4):271-278基本相同的热解趋势。所以,以现有较成熟的煤热) Ayhan Demirbas Gaseous products from biomass解工艺设备来进行生物质热解生产是可行的。又因by pyrolysis and gasification: effects of ca-为生物质具有可再生性强、来源广、数量多等特点talyst on hydrogen yield[J]. Energy Conver所以只要选择合适的催化剂种类,通过催化热解转sion and Management, 2002, 13: 897-909化生产富氢燃料气、生物油、热解焦等产品,可以[2] BI Dongdong, SHU Xingian, DING Zhao jun,et.al成为我国能源供应的有益补充PreliminaryStudy on Hy drogen Generation参考文献:from Waste[C]//Proceedings of the Fourth1]戴和武,谢可玉,褐煤利用技术M1.北京:煤炭工业Asian-Pacific Landfill Symposium 2006 Volume出版社,1999II. Shanghai: Tong ji University Press, 20062]常杰,吕鹛梅,王铁军.生物质热化学制氡的研究现状与前景[A].中国可再生能源发展现状与展望(13]中国煤化工市政污泥热解制备富论文集[C].黄其励,谢和平.徐州:中国矿业大学出CNMHG届屮国绿色财富论坛版社,2003:214-218.暨科技创新与可持续发展研讨会论文集.玉[3]赵俊成,孙立,易维明.在管式炉中生物质热解的溪,2006:31-35(下转第163页)-158-2007年1l月农机化研究第11期可以一次性完成薯土分离和薯秧分离,具有结构简2)随着拖拉机牵引功率的增加,可以考虑设单、省工省时、挖掘薯块完好、薯块摆放整齐和使计多行马铃薯挖掘机,本机的设计和试验数据对多用可靠等优点。行马铃薯挖掘机的设计具有参考和借鉴作用。Research on the design and Test of the potato HarvesterYANG Shi-cheng, AN Hong-yuZhangjiakou Vocational College of Technology, Zhangjiakou 075000, ChinaAbstract: Being directed against the problems of the great potato-growing areas, the problems which potatoes isfailed or inefficient to gather in and damaged serious by livestock plough, and the potato harvester bought fromother places can not apply to the local grow methods. So the potato harvester is designed. The machine canexcavate potatoes from soil, and separate potatoes from soil, from potato vines. The partial crux parts of themachine are designed. Work function of the prototype in maize stubble and potato fields is researched andtest. The test results meet use demands of local peasant. The test data is used in the design of multiple linespotato harvester for referenceKey words: agricultural engineering; potato harvester; experiment; dig spade(上接第158页)Abstract ID:1003-188X(2007)11-0155EAComparison on Pyrolysis of Coal and Biomass under ConstantTemperatureLI Gang, SHU Xin-qian, BI Dong-dong, DING Zhao-jun, ZHANG Lei, ZHANG LeiInstitute of Clean Energy and Environmental Engineering, China University of Mining &Technology, Beijing100083, China)Abstract: On the background of a laboratory fixed bed reactor, two kinds of coal and three biomass, like peanutshell, walnut shell and sawdust are selected as experimental materials, quantitative analyzed pyrolysis constanttemperature and residence time effect on the yield of pyrolysis liquid fraction, char and gas in this paper. Theresults indicate: Pyrolysis of the above two coal samples and three biomass show the same trend. Higherpyrolysis temperature and longer pyrolysis time (suitable catalysts for biomass) contribute to hydrogenproduction. For coal, increasing pyrolysis temperature and putting off residence time help to produce thepyrolysis oil yield, but the biomass, not obvious effect.Keywords: agricultural engineering; biomass; experiment; coal; constant temperature; pyrolysis; hydrogen上接第160页法的改进[J].计算机应用研究,2003(10):62-64.[7]曹浪财,罗键,李天成.智能蚂蚁算法一蚁群算Abstract n:1003-188X(2007)11-0159EAStudying on the Optimal Energy-saving Arithmetic in Close CorporationBreed Aquatics Conditioning SystemXING WeiGuangzhou Traffic Vocational Technology College, Guangzhou 510800, China)Abstract: In terms of this algorithm applied in air-conditioning system optimizing would appear local optimalsolutions, this paper proposes using both Metropolis criterion and Analog- Anneal algorithm to improve overalloptimal ability, and analysis the algorithm convergency, provi中国煤化工 rgence to probabitityone. A supermarket air-conditioning optimizing system instancC N MH GPply results. It showsthat this system energy saving rate may be up to 25Key words: auto-control technology; conditioning storehouse system; experiment; optimize; energy-saving