玉米秸秆快速热解

第21卷第4期化工治金Vo.21No.∠2000年10月Engineering Chemistry MetallurgyOct.2000·绿色化学与技术专栏玉米秸秆快速热解姚建中,陈洪章,张均荣,李桂兰',万宝春2(1.中国科学院化工冶金研究所,北京100802.河北省环境保护研究所,河北石家庄050051)摘要在不同传热状态下进行了玉米秸秆粉料的热解气化实验υ探索了玉米秸秆快速热解制生物油的工艺条件.结果表明:在480℃左右的温度下,实收45%左右的液体产品.采用改进的固体热载体循环流化技术;秸秆粉料也能实现连续高温热解υ不用富氧和蒸汽作流化剂;在τO0℃以上获得了热值大于1lMJ/Nm的生物煤气关键词:生物质;秸秆;快速热解;气化;流化床中图分类号TQ3524文献标识码A文章编号1001-2052(200004-0434041前言我国石油、天然气资源不足,煤炭虽然储量丰富,但由燃烧引起的大气污染日趋严重SO2排放量增加,使酸雨区扩大到国士面积的40%,CO2排放量已居世界第二另一方面,我国农村人口占70%以上,随着农村城市化进程的加快,对优质能源的需求日趋增加,商品能源的供需矛盾将更加突出.从长远看,生物质能源可逐步取代传统的化石能源,而成为人类未来的能源和化学原料的重要来源之一.在众多生物质转化技术中,快速热解可较为简单地将生物质转化为燃料和化学品,且成本较低,成为国际上生物质利用研究的一个热点,尤其是生物质快速热解制生物油,其产品可替代现有运输用燃料,目前正在进行多种工艺的实验研究23.我国玉米秸秆年产量达2.5亿吨,占农作物秸秆总量的40%,但玉米秸秆快速热解的研究报道甚少.本文以玉米秸秆为对象,研究了投资较低、操作方便的快速热解工艺.2实验物料和主要设备2.1实验用原材料实验所用玉米秸秆粉用锤片式粉碎机加工而得,为针状和粉状的混合物直径小于2mm,长度小于10mm,粉料真密度1230kg/m,堆密度97kgm3,其工业分析和元素分析见表1表1玉米秸秆粉的性质Table 1 Properties of corn straw particlesPreli minary analysiElemental analysisBiomass constituentMoistureiFixed carbon 14.40xygen 44.1流化床床料和循环热载体采用普通河砂,平均粒径0.,28m,真密度265kg/m3,堆密度1510kgm3,室温下临界流化速度Um=008m/s,终端速度U=1.80m/s.收稿日期:1999-09修回日期:199911-16作者简介:姚建中(1943-)男,浙江绍兴人,大学毕业,研究员,化学工程专业姚建中等:玉米秸秆快速热解432.2实验流程和主要设备本项研究建立了一套综合实验系统,主要实验流程如图1所示.改变图1中热解反应器的结构和物流方向,可以进行三种传热方式的热解实验.需要加热或保温的设备和部件如热解反应器、半焦燃烧器、分离器及调节阀等都用电热控制调节温度,冷凝器用二级水冷2. Separator3. Butterfly valve4. Corn straw5. FeederI 1. Filter9. Dust remover10. Condenser3. Cooling water7. Combust12. V-valve16, Pump17. Biomass oil图1生物质热解实验流程图Fig 1 Schematic diagram of biomass pyrolysis process进行粉料下落式热解实验时,安裝的反应管内径9πm,高2000mm,内裝多层可调挡板,从加料器5加入的秸秆粉用氮气夹带边下落边热解,热解油气在反应器8下段与半焦分离除尘后进入冷凝器10,分别收集冷凝产物和煤气,半焦由下部料罐收集.缩短下落管长度取消內构件,在下落管下端安装一个内径300mm的锥形喷动流化床,用氮气作流化介质,就可进行流化床热解,其热解流程与下落式基本相同.增加固体循环控制阀12、半焦燃烧器7、气固分离器2后,就成为载体循环热解气化装置.秸秆粉在热解反应器8顶端与通过蝶阀3下落的高温循环热砂迅速混合,升温、热解.在反应器立管8下部油气与半焦分离经除尘器9后进入冷凝器10,获得液体产品和煤气半焦和循环砂通过空气输送的返料V阀12进入燃烧器η,加热后的热砂经分离器2与烟气分离后重新进入热解反应器8.载体循环供热气化的原理可参考文献[4]3实验结果和讨论3.1玉米秸秆粉下落式热解在粉料受到器壁和构件加热下落旳传热条件下,热解温度对热解产品产率的影响如图2所示.结果表明,在480℃左右液体收率最高,包括冷凝器沉积的全部收集量可达到45%左右,气体产率较低,约为30%左右,半焦的产率接近25%但随着温度的提高,液体收率明显下降,而气体产率明显上升,在740℃时达到70%以上,而半焦的产率下降为13%左右.对玉米秸秆不同热解温度所获煤气的组份进行了分析,部分结果如图3所示.从图3可看出,随热解温度的提高,煤气中CO2浓度明显下降,H含量明显增加,而CO,CHn,CH在实验范围內没有显著变化根据成份计算的煤气热值一般均在16MJNm3以上.随着温度提高,由于CO3浓度降低、H浓度增加,煤气热值略有增加,接近I8MJNm3.下落式热解实验结果表明,即使在颗粒由壁面和热气体传热的状态下,热解温度对热解产品的产率仍起显著作用姚建中等:玉米秸秆快速热解一 Bio-gasoH888E802050500550600650700750450500550600650700750Temperature(°c)图2热解产品产率与热解温度的关系图3热解温度对煤气组份的影响Fig. 2 Effect of temperature on yield of productsFig 3 Effect of temperature on gas composition3.2秸秆流化床快速热解颗粒的加热速率对生物油产率有明显影响,因而流化床反应器被广泛应用2·.前述实验证明在480℃左右生物油产率较高.因热解温度低,且热解反应所需热量较小,本项研究采用壁面传热的喷动流化床作为快速热解反应器.流化床中用细砂作传热介质,N作流化介质.表2列出了流化床快速热解实验部分结果表2流化床玉米秸秆快速热解产出率Table 2 Yield from corn straw in a fluidized pyrolysis reactorTemperature(C) Feed rate(kg/h)Liquid (cal)Char8.549023.0由于未清理热解生物油在冷凝器内的沉积,因此实收的液体产率小于按物料平衡计算的产率.表2结果表明,在流化床热解时,半焦和煤气的产率均小于下落式热解,但生物油液体收率有所增加,若按推算值计,液体收率可达56%以上,说明流化床较高的传热速率有利于增加液体产岀率.对所获干煤气成份进行分析表明,煤气中CH和CH含量下降,而H含量明显增加,但煤气热值仍达到1MJ/Nm3以上.热解半焦中氧含量下降为7.6%,灰份达到30%,说明秸秆中大量含氧有机物已经分解.对热解液体产物进行了初步分析,液体平均含水45%,pH值为3.3左右,按干基物料计算的有机组份产出率约为30%,经定性分析,主要组份是乙酸、酯类、酚类等复杂有机化合物.3.3改进的循环流化床秸秆热解气化前述实验已经说明为了获得较髙的煤气产率和热值,需要保持π00℃以上的热解温度,否则会产出较多的焦油.因为对传热壁面材质的要求和传热面积的限制,以煤气为主要产物的热解工艺不宜采用外壁供热的方案.为了简化工艺流程,本研究不用蒸汽作为热解反应器姚建中等:玉米秸秆快速热解的流化介质,改进热解炉下部立管结构,直接采用空气作为循环砂和半焦的输送气体,操作方便,运转正常.由于大量高温循环热砂与秸秆粉的充分接触混合和快速传热,热解反应比较充分,4kg/h的气化实验得到了较好的结果,见表3.实验表明,虽然使用了少量空气作为输送介质,使煤气中含氮量增加,但煤气热值仍然达到11M/№i以上,且由于传热过程改善,与下落式热解相比,气体产率和气化效率有明显提高表3改进循环床秸秆热解气化结果Table 3 Gasification of corn straw in an improved circulating bedTemp. EquivalentGas composition( 9Nmi/k0.13218.680.820.2985,836.011.140.9164.30.13718.8760.619,21506632.21023.4讨论与国外以木材为原料的快速热解工艺相比,本研究的玉米秸秆热解液体产率还较低,热解生物油含水量较高,组成性质也有较大差别.除了所用原料不同外,可能与油气冷凝速度较慢使之产生二次裂解有关.因此,还需要对油气快速冷凝方法进行研究改进后的循环床热解气化省略了蒸汽发生和过热、计量等设备,简化了流程,降低了投资.若进一步优化立管和ⅴ阀结构,还可以减少空气量,提高煤气热值.循环床秸秆热解气化装置容易实现放大,与一些固定层空气气化炉相比,在煤气热值上有明显优势,适宜作为农村小城镇建设中的生活供能设施4结论在480℃左右进行玉米秸秆快速热解,可以得到45右的生物油液体产品,同时副产中热值煤气采用改进的固体热载体循环流化床技术,不需使用氧气或蒸汽,在700℃以上玉米秸秆热解煤气热值可达到1N/N以上参考文献:]中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,1996[2]Diebold J P, Bridgwater A V. Overview of Fast Pyrolysis of Biomass for the Production of Liquid Fuels [A]. Developments inThermochemical Biomass Conversion IC]. Londen: Blackie Academic and Professional, 1997. 5-233]李文,李保庆生物质的热解与液体产物的精制.新能源,1997,19(10):2-284]姚建中,王风鸣生物质在热载体循环流化床中的热解气化门.新能源,1998205):14-18Fast Pyrolysis of Corn StrawYAO Jian-zhong, CHEN Hong-zhang, ZHANG Jun-rong, LI Gui-lan, WAN Bao-chun'1. Inst. Chem. Metall, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China2. Hebei Provincial Environmental Protection Research Institute, Heibei shijiazhuang 050051, China)Abstract The pyrolysis gasification of corn straw particles with different means of heat transfer and production ofbio-oil by fast pyrolysis were investigated. The results showed that the yield of liquid up to 45% can be obtained姚建中等:玉米秸秆快速热解438when the pyrolysis temperature was around 480C and the heat transfer at particle surface was fast enough. By usincirculating fluidizing gas as heat carrier, a continuous pyrolysis of straw without oxygen and steam consumed wasimplemented and when the gasification temperature was over 700C, the heat output of the gas was greater than 11MJ/Nm'biomass; straw; fast pyrolysis; gasification; fluidized bed