热解条件对沙棘枝干热解产物的影响

第37卷第3期.华北电力大学学报VoL 37 ,No.32010年5月Journalof North China Electric Power UniversityMay ,2010热解条件对沙棘枝干热解产物的影响何正斌，伊松林,姚雪莉，于雪斐(北京林业大学材料科学与技术学院，北京1008)摘妻:以沙棘枝干为试验试材，在热解终点温度分别为450 C、600心和750 C ,平均升温速率为150 C/h的热解条件下，对沙棘枝干进行热解处理,并对产物沙棘炭和沙棘堞气进行了测定和分析。研究结果表明:在选定的试验条件下，沙棘炭的得率和沙棘煤气的产量的平均值分别为28. 34%、157.45 L/g,且随着热解温度的开高，沙棘炭的得率呈下降趋势，而沙棘煤气的产量呈上升趋势。通过对所得试验数据的回归分析，得出了实际生产中获得最大效益的温度条件。关键词:沙棘枝干;热解;沙棘炭;沙辣煤气中图分类号: TQ353.4+1文献标识码: A文章编号: 1007-2691 (2010) 03 -0084 -04Effects of different pyrolytic condition on pyrolysisyield of hippophae branchHE Zheng-bin, YI Song-lin, YAO Xue-li, YU Xue-fei(School of Material Science and Tehnology , Beijing Forestry University, Beijing 10083, China)Abstract: This paper takes the hippophae branches 8 experimental materials , under thee conditions that the ulimatetemperatures repectively are 450C , 600C and 750C，the average heating rate is 150C/h, caries on the pyrolyz-ing, then the hippophae carbon and hippophae gas were analyzed. The results show that: under the designated experi.mental conditions that along with pyrolysis temperature's elevetion, the hippophae carbon asumes the trend of decrea-sing, but the hippophae gas assumes the trend of ecalation, and the average rate of hippophae carbon and hippophaegas respetively are 28. 34%、157. 45 Lg Finally, based on regression analysis of the data, the rlationship betweenthe temperature and fficiency was received.Key words: hippophae branch; pyrolysis; hippophae carbon; hippophae gas0.引言目前有关于沙棘枝千资源的规模化利用较为少见，除了在农村当作燃料使用外，几乎没有其中国是世界上沙棘资源最丰富的国家，沙棘它的利用途径，在沙棘资源中，枝干所占比例又具有耐寒，耐旱，耐轻度盐碱等特点",所以集是相当大的一部分，如果只把这些资源当作燃料中分布在青藏高原、黄土高原及新疆维吾尔自治使用，是一个很大的浪费[4-7]。为了充分利用沙区，遍及东北、华北、西北、西南等13个省棘枝干资源，并且提高其附加值，将其从低品位区"]，资源总面积达200多万hm'，沙棘果实有的生物质能转换为高品位的能源8]，研究沙棘枝非常可观的药用价值)，但是进人老龄的沙棘林干的热解及其产物的特性就显得尤为重要。在沙树势衰弱，易感染病虫害,必须进行有计划的平棘枝干的热解过程中，其热解产物可分为三种, :茬更新复壮。.分别为固态产物沙棘炭、液态产物一 沙棘醋液和气态产物一沙棘煤气。 在文献[9]中，收稿日期: 2009 -08 - 10.已经对沙棘醋液做了详细的分析，本文主要针对基金项目:北京市教育委员会共建项目“京郊农作物秸秆炭化过沙棘炭和沙棘煤气进行研究。程及产物的应用研究”。第3期何正斌，等:热解条件对沙棘枝千热解产物的影响85定的试验条件，开始热解试验，由于沙棘热解过1设备及方法程中的炭化阶段会大量放热，此阶段的温度不能控制，因此升温速率以平均数值计。试验结束后，1.1 材料及设备记录沙棘炭的重量以及沙棘煤气的体积，用沙棘(1)试验材料炭的重量及沙棘煤气的体积除以沙棘枝干的初重，沙棘枝干采集于河北丰宁县。将沙棘枝干伐则可计算出沙棘炭的得率和沙棘煤气的产量。后，先捆扎，然后用鼓式削片机削片，经气干处2.1热解条件对沙棘炭的影响规律理使其平均含水率降至15%以下后待用。2.1.1热解条件对沙棘炭得 率的影响(2)试验设备如图2所示，为热解温度对沙棘炭得率的影小型热解设备、AS-703型孔径一孔容分布响关系曲线。由图2中可见，在选定的试验条件仪、XRY-1A数显氧弹式热量计;具盖瓷坩埚、下， 随着热解温度的升高，沙棘炭的得率呈下降高温电炉(马福炉)、分析天平(精确到趋势。在热解温度分别为450C、600C和750C0.1mg)。其中小型热解设备的釜体直径为:时，沙棘炭的得率分别为29. 67%，28. 16%，220mm,深度为300mm,电加热器功率为7.5kW。27. 19%，平均值为28. 34%，沙棘炭得率的比值如图1所示，为试验用小型热解设备的原理图。分别为1.09:1.03:1。29.529 t本27.527 t也道26.5-2625.5450600750热解温度/C+沙棘炭2不同热解温度下沙棘炭的得率 (V= 150 C/h)1.釜体2.釜内温度传感器3.醋液冷凝器4.气液分离装置Fig 2 The yield of Hippophae cearbon under diferent5.湿式气体流量计6.水洗装置7.釜外温度传感器prolysis temperature (V =150 C/h)8.电加热器9.炉体围1小型热解设备原理图2.1.2热解条件 对沙辣炭性能的影响Fig 1 Mustrative diagram pyrolysis laboratory-scale plant(1)热解条件对沙棘炭含碳量的影响沙棘炭含碳量的测定方法参见国标《木炭和1.2 试验方法(1) 在热解终点温度分别为450 C .600 C和木炭试验方法》GB/T17664- 1999 的规定进行。750 C ,平均升温速率为150 C/h,保温时间为1 h沙棘热解的最高温度，对沙棘炭灰分、挥发分及的热解条件下对沙棘枝千进行热解处理。固定碳的含量具有决定性影响。如图3所示，为(2)将不同热解条件下得到沙棘热解产物作热解条件对沙棘炭灰分、挥发分、固定碳含量的为研究对象，对沙棘炭和沙棘煤气的量进行了检影响关系曲线。测;并利用AS - 703型孔径一孔容分布仪对沙棘炭由图3可见，沙棘炭中灰分的含量是随着热的比表面积进行测定，利用XRY- 1A数显氧弹式解温度的升高而增加，这主要是因为热解终点温热量计对沙棘炭的热值进行测量。度的升高有利于在热解过程中炭化程度的提高和挥发成分的减少，导致灰分含量随热解温度的升2结果与分析高略有上升，而挥发分的含量则相反，它随着热解温度的增加而减少，同时说明在热解过程中挥首先将沙棘枝干称量并记录初重后，放人不发分的含量与热解终点温度有着明显的关系。沙锈钢釜体中。根据小型热解设备的操作步骤和拟棘炭中所 占成分比例最大的是固定碳，在所选定86华北电力大学学报2010年90p知，沙棘炭的热值大于标准煤的热值。80-如果将沙棘炭作为煤的替代品，制成高品位史60-燃料，不仅充分利用了沙棘枝干，提高其价值,新50一又由于沙棘炭在燃烧中热效率高且不产生SO2等气体，减少了环境的污染，沙棘资源丰富，再生.30力强，其开发前景广阔。20 t2.2热解条件对沙棘煤气产量的影响如图4所示，为热解温度对沙棘煤气产量的450750热解温度/C影响关系曲线。由图4中可见，在选定的试验条+灰分一挥发份士含碳量件下，随眷热解温度的升高，沙棘煤气的产量呈图3热解溫度对沙棘炭各成分含量的影响(V=150 C/h)上升趋势，在热解温度分别为450 C,600 C和Fg3 The impact on the content of Hippophae carbon under750 C时，沙棘煤气的产量分别为146. 42 Lkg,different pyrolysis temperature (V=150 C/h)159. 25 L/kg,166. 67 L/kg,平均值为157.45 L/kg,沙棘煤气产量的比值分别为1:1. 09:1.14。.的试验条件下，其固定碳的含量随着热解温度的升高相应的增加。在热解温度分别为450 C,600 C和750C时，沙棘炭的含碳量分别为己160-82. 07%，83. 64%，84. 02%，平均值为83. 24%。新155-(2)热解条件对沙棘炭比表面积的影响50 t沙棘炭的吸附性能是对其进-一步开发利用的45-重要指标之一。其测定方法是采用日本产AS -140703型孔径一孔容分布仪检测，以甲醇作为吸附135L600质，用修正的开尔文公式运算。热解温度/心沙棘炭比表面积的测试结果表明:随着热解士沙棘煤气温度的升高，沙棘炭的比表面积呈上升趋势。当圈4沙棘煤气产量围热解终点温度分别为450C,6009C和750C时，Fig4 The yied of Hippophae gas figure沙棘炭比表面积的测量值分别为192， 207,247 m2/g,平均值为215.33 m'/go按照国际理论与通过对沙棘炭、沙棘煤气的测定和分析以及应用化学联合会IUPAC建议活性炭孔隙大小( 俗对文献[9]的参考，得出在不同的热解条件下，称孔直径D)分别为微孔、过渡孔和大孔三类，这三种产物的得率是不-样的，为了指导实际生微孔为<2 nm,过渡孔为2 nm~50 nm,大孔为>产，以最低成本获得最高利润，对三种产物之间50nm。试验数据表明，沙棘炭中的孔隙以微孔的关系进行分析是很有必要的，本次采用origin软件对所得数据进行拟合，如公式1 ~3所示。为主。f(t);=1.2x10~82 -0.022 67t +37.44 (1)(3)热解条件对沙棘炭热值的影响沙棘炭的热值是作为烧烤或冶炼金属用炭时f(t)2=-1.6x10-52 -0.025 71+36.17 (2)的一-项重要的理化指标，它实际上是沙棘这一生f(1),=-1. 202x10-*2 -0. 2121+75.47 (3)物有机体在能量转换过程中贮存能量的大小。上式中f(t)1 f(t)2、f(t);分别表示沙棘炭本研究是利用XRY -1A数显氧弹式热量计对(%)、沙棘醋液(%)的得率和沙棘煤气的产量沙棘炭的热值进行测量。当热解终点温度分别为(L/kg); t为表示热解终点温度(C)。450C,600C和750C时，沙棘炭热值的测量值在实际生产中假设沙棘炭的价值为a,沙棘分别为33 161. 9,32 283. 06,31 106 59 J/g,试验测醋液的价值为b,沙棘煤气的价值为c，那么总价定沙棘炭热值的平均值为32 183. 85 J/go对比标煤值f，可由公式(4)计算。.f=a.f(t); +b.f(t)2 +e.f(t)3=的热值7 000 keal/kg =7000 x4.18 =29260 J/g可第3期何正斌，等:热解条件对沙棘枝干热解产物的影响87(1.2a-1.6b-12.02c)x10-52 +为a,沙棘醋液的价值为b,沙棘煤气的价值为c时,( -0.022 67a +0.025 7b +0.212c)1+当取热解温度= -0.022 67a -0.025 76-0.212 x(37. 44a +36. 17b +75.47c)(4)2 4a -3.2b -24. 04e由公式(4)可见，当10时，可以获得最大的收益。-0. 022 67a -0. 025 76 -0. 212cx10°时，得参考文献:2.4a -3.2b-24.04c到的热解产物的产值最大。[1]马志强.沙棘资源的开发利用[J]. 陕西林业科技，2004，(1): 70-72.3结论与讨论[2]金正道.沙棘的特性和产业开发现状[J].国土绿化，2005, (1): 40.(1)热解条件对沙棘炭的研究表明:在选定[3] 土小宁，安宝利，许涛，等.沙棘开发利用的前景[J]. 陕西林业科技，2004, (2): 71 -74.的试验条件下，随着热解温度的升高，沙棘炭的[4] 张茂松、沙棘开发利用展望[J]. 特种经济动植物，得率呈下降趋势，而固定碳含量、比表面积呈上2005, (5): 20-21.升趋势。热解终点温度分别为450C,600C和[5]包永平，王景余，孙德学，等.沙棘平茬复壮更新技750C时，沙棘炭的得率分别为29.67%，术研究[J].防护林科技，2004, 5 (3): 14, 20.28. 16%，27. 19%，平均值为28.34%;沙棘炭的[6] 邰源临.沙棘枝干制造人造板的研究[J]. 国际沙含碳量分别为82. 07%，83. 64%，84. 02%，平均棘研究与开发，2003, 9(1): 27- 30. .值为83. 24%;沙棘炭的比表面积分别为192,[7]贾玉，王伟，王海平，国内外沙棘开发研究进展207，247 m/g,平均值为215.33 m2/go 沙棘炭的[J]. 科技情报开发与经济，2005，15 (14): .127 -128.平均热值为32 183. 85 J/g, 大于标煤的热值。(2)热解条件对沙棘煤气的研究表明:在选[8]胡建忠沙棘作为农村能源植物开发的可行性分析[J]. 国际沙棘研究与开发，2004， 12(4): 36-定的试验条件下，随着热解温度的升高沙棘煤气42.的产量呈上升趋势，热解终点温度分别为450 C、9]姚雪莉等.热解条件对沙棘醋液得率及其组分的影响600 C和750 C时，沙棘煤气的产量分别为[J].北京林业大学学报，2009, 31 (1): 51-55.146.42 L/kg, 159. 25 L/kg, 166.67 L/kg,平均值为157.45 L/kg。作者简介:何正斌(1984-), 男，硕士研究生，主要研究方(3)实际工业化生产中，在假定沙棘炭的价值向为木材化学加工。(上接第83页)[15] Nagano K, Ogawa K, Mochida T, et al. Peromance of[17] 项立成，赵玉文，罗运俊.太阳能的热利用[M].heat charge/ discharge of magnesium nitrale hexahydrate北京:宇航出版社，1998.and magnesium chloride hexabhydrate mixture to a single[18] Farid M M，Khudhair A M，RazackSAK, etal. Avertical tube for a latent heat storage Bystem [J]. Ap-review on phase change energy storage: materials andplied Thermal Enginering, 2004， 24 (2 - 3):applications [J]. Energy Conversion and Management,209 -220.2004, 45 (9-10): 1597 - 1615.[16] Tr A. An experimental and numerical invesigation of[19]钟志刚。相变蓄能结构能量存储与释放规律的数学heat transfer during technical grade paraffin meling and模型研究[D]. 西安:西安交通大学, 2001.solidification in a shell and tube lalent themal energystorage unit [J]. Solar Energy, 2005, 79 (6):作者简介:冯小江(1984-). 男，硕士研究生，主要研究方648 -660.向为木材干燥。