慢速热解对生物质粉体物性的影响

第36卷第3期化学工程V.36No.32008年3月CHEMICAL ENGINEERING(CHINA)Mar.2008慢速热解对生物质粉体物性的影响张巍巍,陈雪莉,曾国勇,于遵宏(华东理工大学洁净煤技术研究所,上海20037)摘要:慢速热解方法可以有效地脱除生物质中的氧元素提高生物质的能量密度,从而提高生物质气流床气化合成气的热值;并可以有效地改善生物质的物性,实现稳定连续的输送。使用直剪仪对不同粒径的生物质和不同热解温度的半焦进行物性分析,结果表明:热解后,半焦的休止角、内摩擦角和开放屈服强度都明显降低;堆积密度比原料的堆积密度大;从电镜图片分析得出表面结构的变化是物性发生变化的根本原因;400℃半焦的休止角为388°,堆积密度为2694kg/m3,开发屈服强度为268kPa,并结合半焦气化合成气的热值得出400℃半焦作为气化原料比较合理。关键词:内摩擦角;壁摩擦角;休止角;慢速热解;生物质;直剪仪中图分类号:TK6,TQ02,3文献标识码:A文章编号:100954(200803004Influence of slow pyrolysis on physical properties of biomass powdersZHANG Wei-wei, CHEN Xue-li, ZENG Guo-yong, YU Zun-hongInstitute of Clean Coal Technology, East China University of Science &Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: Slow pyrolysis removes effectively oxygen from biomass and improves the energy density of biomass. So itincreases the heat value of biosyngas in biomass entrained-flow gasification. Meantime, it changes the physicalproperties of biomass powder. The physical properties of different particle-sized biomass and different pyrolysistemperature of semi-coke were analyzed by using direct shear cell. The results show that the angle of repose,theangle of intemal friction and unconfined yield strength of semi-coke decrease obviously the bulk density of semicoke is bigger than that of biomass; the essential reason of these variations is the change of surface structure fromSEM; the angle of repose, the bulk density and unconfined yield strength of semi-coke is 38. 80, 269. 4 kg/mand26.8 kPa, respectively. The semi-coke at 400 C is reasonable for biomass entrained-flow gasification as rawmaterialKey words: angle of intemal friction; angle of static friction; angle of repose; slow pyrolysis; biomass; direct shear生物质粉体输送对生物质气流床气化是一个影响。关键环节所以对生物质粉体进行研究具有很重要的现实意义。由于生物质自身能量密度低内氧含实验部分量高导致气化合成气的热值偏低;同时由于生物质1.1实验原料本身的堆积密度小休止角大且流动性不好导致很稻秆(取自上海市宝山区)经过粉碎过筛后,取难实现稳定连续的输送。慢速热解方法不仅可有效2040目,6080目和120目的筛下物作为实验原地除去生物质中的氧元素提高合成气的热值,而且料,并将其放置在105℃烘箱内干燥3h后备用。可改变生物质粉体本身的物性来实现稳定连续的输1.2实验流程送,同时物性数据也可为料仓设计提供基本的理论热解实验流程如图1所示。生物质原料放人特依据。本文主要考察了慢速热解对生物质粉体物性制的方面的影响进而考察慢速热解对生物质输送的热解YH中国煤化工属反应器内进行CNMHG显示。热解后固者简介:张巍巍(1980-),女博士研究生,主要从事生物质热解气化方面的研充Emil:mw2006@126.cm。张巍巍等慢速热解对生物质粉体物性的影响6体产物半焦留在反应器内,实验结束后取出称量。成,气体洗瓶中装有玻璃微珠和二氯甲烷或者二者产生的气体由载气带出,通过除尘、除焦净化后将其的混合物。前4个气体洗瓶放入冰浴中,后2个气收集进行分析。焦油的收集主要由6个气体洗瓶完体洗瓶放入丙酮和干冰的混合液中温控仪计算机气相色谱质量流量计冰浴丙酮干冰浴气体收集器氮气瓶田1热解实验流程图Fig. 1 Schematic diagram of slow pyrolysis2结果与讨论lomb公式表示为-2121休止角和堆积密度S=panφ+F表1给出了原料和半焦的休止角和堆积密度。式中,S为抗剪强度kPa;P为正压力kPa;φ为内摩由表1可知因为粒径小的物料颗粒间的间隙小,所擦角,(°;F为内聚力,kPa以生物质粒径越小,休止角越小,堆积密度越大,物试样的抗剪强度为料之间的流动性也相对较好,在生物质输送过程中S=KxR不易形成架桥。半焦的休止角和堆积密度的变化不式中K为应变圈系数kPa/0.01mm;R为剪切时是一个单调的趋势,而是400℃半焦的休止角最小,应变圈中测微表的初读数与剪坏时的终读数之差堆积密度最大。即相对于其他热解温度下的半焦表(应变圈系数K=1818)。试样的正压力为现出更好的输送性能。P=h×9.8×12A x10(3)表1生物质与半焦的休止角和堆积密度式中,A为试样面积,30cm2;12为杠杆比单位;m为bulk density砝码质量,kgbiomass and semi-char图2和图3分别为生物质和半焦的抗剪强度随体积平休止角堆积密度正压力的变化关系。从图中得出tanφ,内聚力F均粒径(°)/(kgm)内摩擦角φ及相关系数R列于表2120目上40.0稻秆6080目0.18-0.25mm49.313.620-40目0.42-0.84mm622104.4300℃半焦403.49μm41.7201.6r>120400℃半焦318.2538.8500℃半焦34.9943.3220.0550℃半焦32.59μm42.1240.02内摩擦角75100125150175200225内摩擦角测量采用南京宁曦土壤仪器有限公司中国煤化工度与SDJ型等应变直剪仪。固体颗粒的抗剪强度可反CNMH映固体颗粒和输送壁面及颗粒之间的物性关系。内Shear stress of bi摩擦角与抗剪切强度之间的关系可以用Mohr-Cou化学工程2008年第36卷第3期壁摩擦角时,下盒内不是粉体而是镶嵌的壁面材料。210输送壁面和颗粒之间的壁摩擦角也满足上述Mohr姗5Coulomb公式,式中φ为壁摩擦角。℃半焦生物质与热解后半焦的壁摩擦角比较如图4所示。壁面材料为不锈钢,其中20℃对应的是原料的壁摩擦角。从图中可以看出随着热解温度的提高壁摩擦角逐渐减少,但半焦的壁摩擦角都比原料的壁摩擦角大,这是由于热解后半焦的静电力明显大于原料之间的静电力,从而导致了热解后半焦的壁图3不同热解温度下半焦的抗剪强度与摩擦角比原料的壁摩擦角大正压力之间的变化关系图Fig 3 Shear stress of semi-chans in different pyrolysistemperatures as a function of normal str豪2生物质及半焦的内摩擦角和内聚力able 2 Angle of intemal friction and cohesive forces oftan中F/kPaψ/(°)30040050060020-40目0.71406.919035.540.9999热解温度广c6080目0.737810.49736.40.9989>120目0.67538.288434.050.9997图4原料与半焦的鑒摩擦角的比较300℃半焦0.72759.116636.050.999etween biomass and400℃半焦0.66757.177533.740.997500℃半焦0.60868.18831340.9882.4原料与半焦的电镜图550℃半焦0.60047.165031.000.9999图5为原料和半焦的电镜图片。从图中可以看出,热解之后,生物质内的纤维素、半纤维素和木质对于粉体物性来说,内聚力的大小并不是一个素得到不同程度的破坏从而C骨架受到破坏所十分重要的影响因素而内摩擦角却是一个非常重以失去了韧性剪切容易破坏。且热解温度越高,半要的影响因素。从表2可以看出,对于3种粒径的焦表面就表现出多孔性,并出现不同程度的坍塌,使生物质,内摩擦角随粒径呈现正态分布60-80目物料更趋于石墨化,所以半焦的壁摩擦角和内摩擦稻秆的内摩擦角最大。说明内摩擦角不仅与物料表角随着热解温度的升高而降低。面性质有关而且与物料的粒径堆积密度及形态也2.5粉体流动性分析是相关的。按粉体的摩擦行为, Molurus把粉体分为3热解温度越高,内摩擦角越小。这是因为热解类(。生物质粉体应该属于 MolurusⅢ类粉体温度越高热能破坏了更多的分子间键,也破坏了分但生物质经过不同温度热解之后生物质内部结子间的机械交合力。并且热解过程实际上是生物质构受到不同程度的破坏,导致表面性质发生变炭化的过程降低了分子间的摩擦力;热解使生物质化,从而改善了生物质粉体的物性及流动性,使更接近有序性,从粒径结果也可看出热解温度越半焦粉体更接近 MolurusⅡ类粉体。同时,计算并高颗粒粒径越小;颗粒的形状从针状接近球形所比较了原料与半焦的开放屈服强度,结果如图6以物料之间的粘附性减弱,进而内摩擦角逐渐降低。所示,20℃对应的是60-80目稻秆所对应的开2.3壁摩擦角放屈形中国煤化工开放屈服强度壁摩擦角是粉体与壁面之间的摩擦角,它明显阵CNMHG服强度最小的测量方法与内摩擦角基本相同,区别仅在于测量说明400℃半焦流动性最好。张巍巍等慢速热解对生物质粉体物性的影响2)60-80日稻秆(b)300℃半焦(c)400℃焦(d)500℃焦c)550℃焦图5原料和半焦的电镜图Fig 5 SEM of biomas and semi-chans4200℃半焦作为气化原料最合理参考文献:兰[1] Pablo Juliano, Balasingam Muhunthan, Gustavo V.Flowand shear descriptors of preconsolidated food powders[J]. Joumal of Food Engineering, 2006, 72(2):157-1[2] Manimehalai N, Viswanathan R. Physical properties of100200300400500600fuzzy cottonseeds[ J]. Biosystems Engineering, 2006, 95热解温度/℃[3] Fridrun Podczeck, Yasmin Miah. The influence of particle图6热解后开放屈服强度的变化size and shape on the angle of intemal friction and theFig 6 Variation of unconfined yield strength after pyrolysisflow factor of unlubricated and lubricated powder [J]International Journal of Pharmaceutics, 1996, 144 (2):3结论187-194生物质经过慢速热解后本身的物性发生相应的[4] Kunio shinohara,. Mikihiro oida, Boris golman, Effect of改变,半焦的休止角、内摩擦角和屈服强度明显比原particle shape on angle of intemal friction by triaxial com-料的小;并且堆积密度比原料的堆积密度明显提高,pression test[ J ]. Powder Technology, 2000, 107(1)由电镜图片可以看出半焦表面结构发生了相应的变131-136.化,这些结构的变化是生物质粉体在热解后物性发5]陶珍东,郑少华.粉体工程与设备[M.北京:化学生改变的根本原因同时从各个方面综合考虑,工业出版社,2003中国煤化工CNMHG