生物质的流化床热解实验研究

第33卷第9期华中科技大学学报自然科学版)Vol 33 No 92005年9月J. Huazhong Univ. of Sci. Tech. Nature Science EditionSep.2005生物质的流化床热解实验研究米铁1陈汉平1高斌2刘德昌(1华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉4300742阳逻电厂,湖北武汉431415)摘要:用小型流化床实验台对4种农林生物质废弃物进行热解实验研究.研究发现对所研究的生物质试样,热解温度低于500℃时液态产物产率随着温度增加而增加.在500~600℃之间液态产物产率达到最大.当热解温度超过600℃时液态产物产率随着温度增加而减少气体产物产率增加半焦产率下降.对于所研究的生物质松木屑和甘蔗渣的半焦产率远远低于花生壳和谷壳的半焦产率.这可能是由于松木屑和甘蔗渣灰含量低于后两种生物质涡一方面也可能是由于松木屑和甘蔗渣中的无机物质Na和K含量较多的缘故关键词:流化床;生物质;热解中图分类号:TK6;TQ914.3文献标识码:A文章编号:1671-451X(2005)90071-04Experimental studies on biomass pyrolysis in thebench-scale fluidized bed reactorMi Tie Chen hanping Gao Bin Liu dechangAbstract: Pyrolysis experimental studies on 4 kinds of biomass( Bagasse, pine sawdust peanut shell, ricelusk )were performed in a bench-scale fluidized bed reactor. The study indicated that the temperature is akey parameter due to biomass pyrolysis in fluidized bed reactor when pyrolysis temperature was below500C, the liquid product increased with temperature reaching its maximum at a range of 500-600 Cpyrolysis temperature went beyond 600C liquid product and solid residue decreased, gas product increased. For the four biomass solid residue of Bagasses and pine sawdust was less than that of rice husk andpeanut shell. The reason was ash content of rice husk and peanut shell were more than that of bagasses andpine sawdust on the other hand, minerals such as Na, K, which was more plentiful in Biogases and pinesawdust than that in rice husk and peanut shell was volatilized at higher temperatureKey words: fluidized bed i biomass pyrolysisMi Tie Dr. State Key Lab. of Coal Combustion Huazhong Univ. of Sci.& Tech. Wuhan 4300741.1实验装置与方法生物质的流化床热解实验研究试验裝置由圆柱形电加热炉、石英管流化床反应器、料斗、旋风分离器、冷凝装置、过滤器、干近年来由于能源与环境问题日益突岀人们燥器和抽气泵等组成如图1所示,石英管流化床开始对诸如生物质之类的可再生能源进行研究,反应器高1.2m直径为3cm.流化床热解温度通以期实现生物质的清洁、高效利用1-4].遗憾的过圆柱形电加热炉控制.由流化床顶部插入的热是对于生物质在流化床中的热解试验研究并不多电偶得到床内温度流化气体氮气从反应器底部见本研究的目的在于考察在流化床中生物质热经解产物的释放规律,以便为生物质热解气化应用产YH中国煤化工入流化床层热解气体CNMHG实验起始时开起电装置的设计、运行提供基础参数收稿日期:200505-08作者简介:米铁(1968-)男博士武汉华中科技大学煤燃烧国家重点实验室(430074)E-mail:mitiel999(@163.com基金项目:国家自然科学基金资助项目(50446021)湖北省自然科学基金资助项目(2003ABA086)华中科技大学学报自然科学版)第33卷炉电源调节炉温到预定的热解温度同时通入表2生物质样品颗粒粒径质量分布N2清洗整个系统.当流化床温度达到预设的热解/%温度时开始向床內送料进行热解反应记录实谷壳粉甘蔗渣花生壳松木屑验时间实验时间持续30min实验前后料斗中的>1.0022.87.8927.70生物质量之差为热解试验中实际消耗的生物质[0.63-1.00)12.32540.3024.70量.每次热解试验完毕后,关闭电炉冷却反应器[0.56-0.63)11.711.49.658.10直到室温以确保反应器内的焦样不会和空气发生[0.40-0.56)388157157814.90反应.随后取出热解固体产物称重得到热解固[0.28-0.40)17.310.013.1012.20体产物质量.N流量为7/min.热解产品气通过[0.15~0.28)10.612.84.4810.40<0.151.6使用液氮作为冷却剂的两级冷凝器,可保证热解物其中气、固体产物分别为热解气和热解反应发产品气中可冷凝部分得到完全冷凝.热解液态产物通过称重冷凝装置收集的液体质量并累加各类生后残留在反应器内的半焦液态产物则包括冷管线用丙酮清洗前后的重量差两者之和为热解凝下来的热解水和焦油.本文所指的热解温度是的液态产物产率其余部分则认为是热解气体产指流化床反应器设定的温度对于较高的设定温度在生物质料未达到设定温度以前就已经发生物产率热解反应故热解温度实为生物质的最终热解温温控仪旋风度.图2给出了热解温度对松木屑热解产物的产颗粒抽气泵过滤器①醫液体产率干燥器石英管送料风应器焦油冷凝器圆柱形电加热炉尔册礼礼想一气体产率图1流化床生物质热解实验装置图1.2试验用生物质原料特性400500600700800900试验选取花生壳、甘蔗渣、谷壳和松木屑等4热解温度/℃图2热解温度对热解产物产率分布的影响种常见的生物质废弃物.4种生物质样品的工业率分布的影响从图2中可以看出随着热解温度分析、元素分析见表1粒径(d玢布见表2.由表1可见生物质主要由CH和O三种元素组成的增加热解液态产物主要成分是焦油)固体产还有NS和P等元素以微量的有机或无机形式物半焦产率总体趋势是下降的而气体产率总体趋势是增加的.这是由于随着温度增加固体产表1生物质样品的工业及元素分析%)物半焦在高温下进一步发生还原反应而释放出甘蔗渣花生壳松木屑谷壳粉气体其反应方程式为(Ma)19.7315.1212.9913.53(Vd)78.9073.3580.6169.41C+CO2→2C0-162.22k/mol;(1)u( ad)544.711.0913.83C+HO-CO+H-11835kJ/mol(2)(FCd)17.5721.9418.3016.76从反应方程式可看出半焦的还原反应是(N)0.531.482.170.97个吸热过程在高温下反应更易进行致使随着温C4)50.9051.9051.2044.97度增加半焦产率降低.当裂解温度大于500℃以S4)0.420.220.050.07x(H)8.138.187上时焦油进一步发生分子内的断链、脱水、脱羧(O4)基等二次热裂解反应裂解生成双原子气体如H2存在与煤等化石燃料相比生物质的含氧量较和(O从而使得产气率大幅度提高温度超过高达30%以上发热量相对也较低中国煤化工曾加1.3试验结果与分析e yHCNMHG物质热解产物产率的1.3.1热解温度对热解产物分布的影响影响生物质在热解过程中生成气、液、固三种产图3-图5分别给出了不同的生物质在热解过程中温度对热解产物分布的影响.从图3可看出在实验温度范围内随着温度增加对于不同第9期米铁等:生物质的流化床热解实验研究73的生物质原料其液态产物产率演化相似即都呈液体的最大产量随着生物质种类的不同而有很大现一个先上升后下降的变化趋势.其液态产物产差异对于松木屑和甘蔗渣其液态产物最大值在率在500~600℃之间达到最大尔后随着温度500~600℃之间产生,其液态产物产率分别为增加液态产物产率降低.当热解温度高于600℃45.8%和44.3%而其他两种生物质其液态产时液态产物发生二次裂解反应,产生大量的气物最大值在500℃时达到其液态产物产率分别体.上述实验结果与文献4中的实验结果相似.为38.11%和36%松木屑花生壳40甘蔗渣谷壳甘蔗渣甘蔗渣谷壳松木屑花生壳热解温度/℃热解温度/℃热解温度℃图3热解温度对生物质的图4热解温度对不同生物质图5热解温度对不同生物质热解液态产率的影响半焦产率的影响热解气体产率的影响从图4可以看出在所研究的热解温度范围油充分进行二次裂解反应得到更多蹬气体产率内随着热解温度的提高半焦产率逐渐降低.松实验结果证实对于所研究的生物质热解温度在木屑和甘蔗渣的半焦产率远远低于花生壳和谷壳500~600℃之间,热解液相产率达到最大值.当的半焦产率一方面这可能是由于松木屑和甘蔗热解温度较高时竞争反应中主要以焦油的二次渣本身的灰含量低于后两种生物质溻一方面可裂解占据主导在高温下充裕的停留时间可使焦能是由于松木屑和甘蔗渣中的无机物质特别是油几乎全部转化为气体从而获得最大气体产率№a和K的含量较多的缘故5]一些研究者的研究已经证实了生物质中无机物质中Na和K的存2生物质热解半焦的扫描电镜分析在对于生物质的热解的催化作用6催化作用降低了木质素裂解活化能.在900℃时视生物质种图6给出了甘蔗渣生物质样的SEM图从类不同半焦产率在25%~36%之间变化SEM图中可以看出其特有的纤维结构被沟壑1.3.3生物质热解过程机理分析隔开的峰脊,呈现一定的三维空间结构.图7生物质的热解产物在不同热解温度下的产率图9分别给出了甘蔗渣在不同温度下热解焦样的分布规律表明泩生物质在热解过程中主要存在着生成热解气、焦油和结炭三个反应的竞争和随后的焦油二次裂解反应依据裂解温度条件决定哪种反应占主要地位队从而得到完全不同的产物产率分布.生物质受热时首先进行的是一级热分解.当裂解温度相对较低时<500℃)主要存在6甘蔗渣生物样的图7400℃甘蔗渣焦样的是焦油的生成和自由基发生缩合结炭两种反应SEM图的SEM图的竞争若升温速率较慢则相应的挥发份在焦炭颗粒内的停留时间较长此时以结炭反应为主可以获得最大产率的焦炭量.若升温速率足够快致使结炭反应受到抑制则热解产物以大分子可凝性挥发分物质焦油为主.挥发分在高温下停留时图8700℃甘蔗渣焦样图9800℃甘蔗渣焦样间的长短决定了最终焦油产量的高低;长的停留的SEM图的SEM图时间使得焦油发生二次分解而产量减少短的停SV凵中国煤化工:40℃温度下热解后留时间则因抑制了焦油的二次反应而获得最大CNMHG形状.在400℃的温度量的焦油产率所以对于以热解油为目的的热解下生物质中的木质素基本上不能分解而木质素过程适中的裂解温度高升温速率短停留时间,是由苯丙烷结构单体构成的具有三维空间结构的是获得最大限度液体产率的最佳反应条件洏而对天然高分子化合物故而这种三维结构的形状极于气化过程高温及较长的停留时间可使热解焦有可能为木质素结构.热解气首先从沟壑″处释74华中科技大学学报自然科学版)第33卷放形成较长的裂缝.当热解温度达到700℃时with commerical steam catalyst J I Ind Eng Chen Res焦样变形形成明显的沟壑″形状.热解温度达到1998,3712):4617-4626800℃时由于高温焦样开始熔融表面逐渐变[3]AhrM, Caballero m,ClJ,cea. Commercial steam平这可能是由于高温下硅酸盐结构的变化引起reforming catalysts to improve biomass gasification with的对于花生壳焦样的SEM图我们观察到了几steam-oxygen mixtured J ]. Ind Eng Chen Res, 1998乎相同的趋势37(7):2668-26804 Scott D S, Piskorz J. The continuous. ash pyrolysis of参考文献biomas J ] Can J Chem Eng, 1984, 62: 404-412[5]米铁陈汉平吴正舜等.生物质灰化学特性的研究[1 Varhegyi G, Jakab E, Antal M J. Is the broido[J]太阳能学报,2003,25(2):236-241shafizadeh model for cellulose pyrolysis true ?L J ]. En- [6 ]Sjostrom K, Chen G, Yu Q,et al. Promoted reactivityergy and Fuels, 1994, 8: 1 345--1 355of char in co-gasification of biomass and coal Synergies[2 Corella J, Orio A, Toledo J M. Biomass gasification in the thermo-chemical process[ J ]. Fuel, 1999, 78with air in fluidized reforming of the gas composition1189-1194协和医院成功实施湖北省首例多节段人工颈椎间盘置换手术6月28日协和医院的专家们确认5天前做了三节段人工颈椎间盘置换手术的一名40余岁男性患者术后康复顺利手术完全达到预期效果该手术由骨科主任、博土生导师杨述华教授和李进博士实施属湖北省首例、全国第二例手术的成功也标志着协和医院人工颈椎间盘置换手术已处于国内领先水平该手术采用的人工颈椎间盘是目前世界上最先进的人工颈椎间盘系统它突破传统手术方法的理谂限制在摘除椎间盘解除脊髓压迫的同时并不融合相邻椎体而是植入一个具有活动功能的人工颈椎间盘.人工颈椎间盘置换术的设计理念是在前路椎间盘切除后通过在椎间隙植入人工颈椎间盘系统代替原来的椎间盘从而维持椎间隙高度并模拟正常颈椎间盘的功能.这种方法在保证近期疗效良好的同时有效解决了传统颈椎前路融合固定术后颈部活动受限远期相邻节段退变加速的并发症等问题H中国煤化工CNMHG