流化床快速热解笋壳的研究

福建农业学报25(3):269~273,2010Fujian Journal of Agricultural Sciences文章编号:1008-0384(2010)03-269-05流化床快速热解笋壳的研究廖益强12,黄彪,董健2,陆则坚2(1.福建农林大学材料工程学院,福建福州350002;2.福建农林大学食品科学学院,福建福州350002)摘要:以笋壳为原料,石英砂为流化介质,在自行研制的流化床快速热解装置上进行热解试验,研究了热解温度、物料尺寸、进料速率、滞留时间和添加剂对笋壳热解产物分布的影响。结果表明:加入添加剂KNO热解效果较好,较佳工艺条件是热解温度500℃、物料尺寸1.0mm、进料速度50g·min、滞留时间0.8s、KNO3浓度0.4%,液体产率可达62.7%。关键词:笋壳;快速热解;流化床;产率中图分类号:TK6文献标识码:ARapid pyrolysis of bamboo shoot shell in fluidized bedLIAO Yi-qiang,, HUANG Biao, D(NG Jian, LU Ze-jian'(l. College of Material Engineering, Fujian Agriculture and Forestry Univeristy, FuzhoFujian 350002, China; 2. College of Food Science, Fujian Agriculture and ForestryUniveristy, Fuzhou, Fujian 350002, China)Abstract: Pyrolysis experiments on the bamboo shoot shell were carried out in a custom-designed fluidized bed. Thebed applied quartz sand as the fluidizing medium. The effects of temperature, material size, feeding rate, retentiontime and additives on biooil yield were studied. The results showed that the optimal pyrolyis conditions included0.4% addition of KNO,, temperature at 500C, material size of 1. 0 mm, feeding speed at 50 g/min and retentiontime of Is. Under such conditions, the bio-oil yield reached 62. 7%.Key words: bamboo shoot shell; rapid pyrolysis: fluidized bed; yield由于大量使用化石能源,地球表面出现严重的温稻秆和木屑热解制取生物油的研究,表明快速升温室效应,与之伴随的将是气候的异常与自然灾害的频能有效缩短颗粒在低温阶段的停留时间而抑制炭的繁发生,人类生存环境将受到严重威胁1-。竹笋壳生成,有助于生物油的生成。目前,有关竹笋壳热是竹笋加工剩余物,是一种优质的生物质6。目前解液化的研究尚未见报道。除了从笋壳中开发竹笋膳食纤维等产品的少量利用以笋壳为原料,在自行研制的流化床快速热解外,大部分的笋壳没有得到充分的利用-1。为了提装置上进行热解试验制备热解油,研究了热解温高笋壳利用率和附加值,解决笋加工产生的副产物带度、物料尺寸、进料速率、滞留时间、不同添加剂来的污染环境问题,使其变废为宝,故而对其进行有等因素对笋壳热解产物分布的影响,并探索了效果效的开发利用有着重要的意义。较好的添加剂进行快速热解的工艺条件。快速热解是在高加热速率、中温和短停留时间的条件下,将生物质直接转化为生物质油的过1材料与方法程-1。研究表明,生物质快速热解反应设备、1.1试验材料反应条件(热解温度、升温速率、压力、气相停留毛竹笋壳,以下简称笋壳,试验前对笋壳进行时间)、生物质种类及成分组成、含水率、物料尺了干燥、粉碎、筛分,对其进行理化分析,毛竹笋寸和形状等因素对生物质液化产物的产率分布都有壳的水分为6.70%,灰分2.65%,纤维素影响-21.王树荣等21利用流化床反应器开展了27.24%,半纤维素15.59%,木质素18.60%。收稿日期:2010-04-25初稿:2010-05-18修改稿作者简介:廖益强(1971-),男,博士研究生,副教授,主要从事农林废弃物综合利用研究工作(E-mail;liaoyq4123@yahoo.com.cn)基金项目:福建省自然科学基金项目(2009J01230);十一五国家科技支撑计划项目(2008BADA9B0501);福建省教育厅资助项目(JA09068270福建农业学报第25卷1.2试验装置离产生的固体焦炭,经过板式冷凝器冷凝后收集生自行研制的流化床快速热解装置由进料系统、成的液化产物,分离后的载气通过吹吸两用鼓风机反应器、加热系统、分离器、冷凝器及管路组成循环使用。本装置具有快速升温、快速进料、快速采取螺旋加射流装置进料,流化床中加入石英砂加冷却等特点,工艺流程如图1所示。强传热(流化速度0.492m·s-1),旋风分离器分板式冷凝器箱集油箱預热器871流化床快速热解试验工艺流Fig. 1 Flow diagram of experimental fuidized bed pyrolysis1.3试验方法着温度的升高,液体产率升高,当温度达到520℃选取热解温度(400℃、440℃、480℃、520℃和时,液体产率最高,为62.1%,此时固体和气体560℃)、物料尺寸(0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8的产率都较低,温度继续升高后,液体的产率降mm和1.0mm)、进料速率(20g·min-1、30低,气体产率开始明显升高,固体产率略有降低,g·min、40gmin-1、50g·min-1和60gmin-1)、气、液体产率受温度的影响较固体产率更加显著。因素进行单因素试验,测定在不同的热解工艺条件较高的液体产率,热解的温度应在500℃的左滞留时间(0.6s、0.8s、1.0s、1.2s和1.4s)为影响考虑到提高热解效率,使原料能在较低温度下得下,对热解产物(液体、气体和固体)产率分布的2.2物料尺寸对笋壳热解的影响影响,确定较佳的热解工艺条件;选择4种不同添当物料尺寸小于1mm时(分别为0.2mm加剂KNO3、Na2HPO4、K2CO和Na2CO,分析0.4mm、0.6mm、0.8mm和1.0mm),控制进添加剂对热解过程的影响料速率为50g·min-1,滞留时间为1s,温度1.4产物产率测量500℃进行热解试验,结果见图3。笋壳粒径小于1焦炭产率v采用灰分平衡计算、气体产率vmm时,3种热解产物产率的平均值分别为:液体采用N2平衡计算、液体产率n采用质量守衡的方产率61.0%气体26.3%和固体12.7%,不同笋法计算20。壳粒径之间差别不大。2结果与分析2.3进料速率对笋壳热解的影响控制在温度500℃,物料尺寸小于1mm,滞2.1热解温度对笋壳热解产物的影响留时间1s,选取20g·min-1、30g·min-1、40控制物料尺寸小于1mm,进料速率50g·min-1、50g·min-1、60g·min进料速率进min-,滞留时间为1s,在400℃、440℃、行热解试验,结果见图4,在进料速率为50480℃、520℃和560℃进行热解,结果见图2。随g·min-时,液体产率最大,为62.3%。喂料速第3期廖益强等:流化床快速热解笋壳的研究27150一固体一液体40048050温度(℃)进料速率(gmin1)图2热解温度对笋壳热裂解物产物分布的影响图4进料速率对筝壳热解产物分布的影响ig 2 Effect of temperature on pyrolysis of bamboo shoot Fig 4 Effect of feeding rate on pyrolysis of bamboo shoot挥发分滞留时间达0.8s时,液体产率高达62.2%,固体产率迅速下降为14.7%。随着挥发分滞留时间延长,液体产率开始有所下降,而气体一气体产率有所增加。这是由于长滞留时间使得挥发分中固体大分子液体组分有更多的时间发生二次反应裂解为小分子气体。同时,滞留时间的延长,大分子d液体组分能进一步发生环化、缩合、脱氢芳构化等利于产生固体焦炭的反应2,但固体产率的增加不如气体明显。当滞留时间较长时(1.4s),液体6的产率稍有下降。总体而言,短停留时间有利液体物料尺寸(m)产物的生成,停留时间越长越有利气体生成。图3物料尺寸对笋壳热解产物分布的影响Fig 3 Effect of material size on pyrolysis of bamboo shoot◆液体shell率继续增大时,液体率反而降低。这主要是由于喂一团体键30料速率增加导致原料吸热不充分,从而导致原料热解时温度降低,热解不充分21。2.4滞留时间对笋壳热解的影响滞留时间是指热解析出的挥发分在反应器是所06滞留的时间,试验中通过调节载气(N2)流量来帚留时间(s)控制滞留时间,载气的流量和滞留时间成反比,滞留时间也是影响生物质快速热解产物分布的重要参图5滞留时间对笋壳热解产物分布的影响数之一。控制好滞留时间,可以减少固体产率,产Hg5 Effect of retention time on pyrolysis of bamboo shoot生尽可能多的液体。控制在温度500℃,物料尺寸shell小于1mm,进料速率50g·min,选取0.65、2.5不同添加剂对笋壳热解油产率的影响0.8s、1.0s、1.2s、1.4s不同的滞留时间进行快速热解试验,结果见图5。挥发分滞留时间太短加入添加剂可以使笋壳在较低的温度下开始热解,并且得到较高的液体产率。在笋壳中加入不同(0.6s),笋壳生物质还达不到充分热解,所以液体产率只有50.4%,而固体产率高达30.0%。当的添加剂(KNO3、Na2HPO4、K2CO3、NaCO3)福建农业学报第25卷的情况下,控制物料尺寸小于1mm,进料速率为50g·min4,滞留时间为0.8s,选取热解温度60320℃、360℃、400℃、440℃、480℃和520℃进50行热解试验,结果见图6。温度逐渐升高时,液体的产率逐渐升高,达到最大值后,稍有降低。热解一气体温度440℃,加入KNO3时,笋壳的热解液体产率20可达61.5%。可见,加入添加剂KNO2可在较低的温度下得到较高的液体产率(无添加剂时520℃0的热解温度,液体产率才可以达到60%左右),热0.6解温度比无添加剂时低将近100℃。加入KNO3的浓度(%)笋壳在480℃的液体产率最高,为62.6%;加入图7不同添加剂浓度对笋壳热解油产率的影响K2CO3的笋壳在520℃时的液体产率最高,为Fig 7 Effect of additive concentrations on bio-oll yield53.7%;加入Na2CO2的笋壳在520℃的液体产率最高,为57.3%。所以4种添加剂中,添加剂装置上进行试验制备热解油。研究表明,温度对热KNO2的效果最好,能在较低的温度下就使笋壳开解反应的影响较大。反应温度是生物质快速热解的始热解。主要影响因素,较低的温度有利于固体焦炭的形成,而较高的温度有利于液体和气体产物的生成。生物质热解液体产率最高的温度为中温,温度降低则快速热解液体产率降低,固体产率增加;温度过高,生物质液化产物就会气化,液体分子在气相时再次断裂成不可凝燃气分子,又加深了原料分子的充分断裂,使断裂部位增多,产生更多的液体和不- KNO一Na2lHP04可凝气体分子,液体的产率降低-0。在不同的粒径条件(均<1mm)下,液体产率差异不大,因而认为热解过程中粒径(<1mm)对液体产率440无显著影响,这与 Oasmass等的研究结果一致(1温度(℃)笋壳的液体产率随着进料速率的增加总体呈上升趋图6不同添加剂对笋壳热解油产率的影响势,但是当进料速率高于50g·min时,液体产Fig 6 Effect of additives on biooil yield率开始下降。本试验装置在进行热解试验时进料速率应选在40~50g·min-1之间。滞留时间太短,2.6不同添加剂浓度对笋壳热解的影响笋壳生物质反应不充分,液体产率不高;随着滞留添加剂可以提高笋壳生物质的液化产物的产时间延长,液体产率先增加后减少。笋壳生物质的率,但是对不同生物质的影响不完全相同,与生物质中各组分含量不同有关2。添加剂的液化效果进料速率对热解产物有影响,对于不同的设备,进也会受到原料中的组分含量的影响,因此添加剂的料速率的影响是不同的。进料速率增加,反应管内浓度也被列入一个考虑的因素,KNO以不同的浓热载气与流化介质提供的热量不变,导致升温速率度加入到笋壳中,控制温度为500℃,物料尺寸<降低,液体产率下降;进料速率增大,固体产率增1mm,进料速率50g·min,滞留时间08s进加,热解气中灰尘颗粒浓度变大,会导致炭粉分离行的热解试验,结果见图7。KNO3浓度较低时液器和出气管道堵塞。总的来讲进料速率不能过快体产率呈上升趋势,气体产率呈下降趋势;当要结合滞留时间,找到合适的的进料速率,使原料KNO浓度达到0.4%后,液体产率开始下降,而在反应器中充分热解,以保证热解反应持续正常的气体产率开始上升。固体产率一直呈略下降趋势。进行。4种添加剂中,KNO可在较低的温度下得添加剂浓度为0.4%时,液体产率可达62.7%到较高的液体产率。笋壳生物质热解液化比无添加3结论与讨论剂时低100℃左右;主要原因是KNO3具有强氧化性,能在较短时间内使物料局部温度骤然升高,快以笋壳为原料,在自行研制的流化床快速热解速发生裂解反应3。第3期廖益强等:流化床快速热解笋壳的研究73[19] JALE Y, CHRISTOPH K. 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