玉米秸秆微波热解研究

第33卷第6期武汉工程大学学报Vol 33 No 62011年06月. Wuhan Inst. TechJun. 201文章编号:1674-2869(2011)06-0020-03玉米秸秆微波热解研究杨昌炎,吴祯祯,郑冬洁,丁一刚,吴元欣(1.武汉工程大学化工与制药学院,绿色化工过程教育部重点实验室,湖北武汉430074;2.黄冈师范学院化工学院,湖北黄冈438000)摘要:为了研究玉米秸秆形成可再生能源,通过热解可转化为液体燃料一生物油,利用微波加热,考察了玉米秸秆热解制备生物油的情况.结果表明:玉米秸秆的影响因素很多,包括徵波功率、热解温度、时间、加料量添加剂等;最优工艺条件为:当热解温度500℃、处理量0.3kg/kW、热解时间15min堆密度大于0.40kgm3碳的添加量为秸秆的5%~10%时,生物油产率最大,达到56%关键词:玉米秸秆;微波热解;生物油中图分类号:U416.217文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1674-2869.2011.06.004引言等优点,其设备体积小,是一门新兴的热解技术微波热解是通过微波场下物质吸收微波而产热的秸秆是一种贮量巨大的、可再生的能源资源;原理,将物质热分解形成生物油液体产品和其它我国秸秆资源丰富,每年秸秆废弃物有7亿吨口.燃气、焦炭产品.影响微波热解的因素有很多,如湖北是我国重要的商品粮、油、棉生产基地,农业微波功率、物质量、堆体积、吸波性能以及吸波助发达,蕴藏的生物质资源非常丰富,秸秆年产量近剂等3,然而关于这些方面研究还未见系统报1千万吨[2.然而这些资源往往被弃置于自然环境道.本研究旨在以玉米秸秆为对象,系统考察上述或就地焚烧,造成巨大的资源浪费和严重的环境因素对玉米秸秆热解形成生物油的影响,分析比污染较添加剂对生物油产品的影响,为生物质微波热随着化石能源的日益枯竭和环境恶化问题的解的深入开展和应用提供指导日益加重,开发洁净的可再生能源已经成为21世纪全球共同面临的紧迫任务快速热解作为一项1实验部分热化学转化技术,能将秸秆等生物质快速转化为1.1实验原料产率达70%、具有替代石油潜力的液体燃料一生玉米秸秆颗粒(直径为6mm,长为10mm)来物油和化学品而受到世界广泛关注3.微波热解源于湖北省黄冈市.玉米秸秆的化学组成和元素具有加热速率快、不需要载气、不受颗粒尺寸限制组成(湿基),如表1所示表1玉米秸秆的化学组成及元素组成Table 1 Chemical compositions of corn straw名称含水质量化学质量分数组成/%元素组成质量分数/%分数/%纤维素半纤维素木质素其他CH数值5.040.227,317.515.040.15,552.81.50.11,2工艺流程及装置的磨口石英瓶;冷凝系统由三级串联冷凝管组成,玉米秸秆热解工艺,由微波热解炉、石英反应采用乙醇水冷却介质冷却器、三级串联冷凝器、生物油的收集器和放空等组称取一定质量[(300±1)g]的玉米秸秆颗粒成,如图1所示.微波热解炉(型号MCR-3,功率置人石英反应器中,连接好各管线;开启冷却循环1.5kW、射频2450MHz)购于河南巩义市予华仪系统,设定冷凝温度为0~10℃;反应前通入氮器有限责任公司;石英反应器为体积为1000mL气,排除反应体系中的氧气,设定微波功率,开启收稿日期:2011-04-09基金项目:湖北自科基金项目(No.2007ABA253);湖北省优秀中青年项目(No.Q200715004)作者简介;杨昌炎(1969-),男,湖北鄂州人,教授,博士,硕士研究生导师.研究方向:能源化工及反应分离技术第6期杨昌炎,等:玉米秸秆微波热解研究微波热解炉,待管内基本无热解气逸出时,停止加60%~70%;当进一步增加输入功率时,温度开始逐热,立即取出石英反应器,采用热电偶测定瓶内物步上升,满功率输入时热解温度达到535℃.料温度;当石英反应器冷却至室温,称重.热解蒸2.1.2热解产品产率常压下压吸波剂添加汽经过冷凝形成的生物油,通过收集瓶收集;附着下,热解时间为30min时,玉米秸秆(300±1)g热在冷凝管内壁的生物油,采用乙醇洗涤,再用旋转解时其热解产品产率受输入功率水平大小的影蒸发器脱去乙醇后,冷却至室温,与收集瓶中的生响,如图3所示物油合并,称重图1微波热解工艺流程输入功率占总功率的百分数%Fig 1 Process of microwave pyrolysis图3微波输入水平对玉米秸秆热解产品产率的影响注:1.石英反应器;2.微波热解炉;3.冷凝管;Fig 3 Effect of different power levels on product4冷凝管;5.收集瓶;6冷凝管;7.放空yields of corn straw pyrolysis1.3计算方法由图3可知,随着微波输入功率的增加,生物生物油产率(温基)为所收集的生物油占玉米油产率逐渐上升,当输入功率达到总功率的40%秸秆总质量的百分数;焦炭产率为石器、英反应器时,生物油产率基本稳定,质量分数达47%;不凝内残余质量占玉米秸秆颗粒总质量的百分数;不气产率与生物油产率受输入功率的影响,有相似凝气产率为秸秆总质量百分数扣除生物油产率和的变化趋势,其值基本稳定在质量分数33%.焦炭焦炭产率所余下的百分数产率则不同,随着微波输入功率的增加而逐渐降2结果与讨论低,至输入总功率为100%时的质量分数22%焦炭产率2.1微波功率的影响2.1.3微波功率与加料量的关系利用微波2.1.1热解温度微波热解的过程温度主要依热解时,热解转化率与微波功率、物料量密切相赖于微波功率由图2可知,微波总功率(1.5kW)关图4显示出了微波输入功率水平为70%、对应以10%逐级递增时,恒定质量[(300±1)g]的玉米的功率为1024W时,物料量与热解产品产率的秸秆物料的热解终温变化情况.对于玉米秸秆物料变化关系.由此可知,随玉米秸秆量增加,热解液而言,随着微波功率的逐级上升,热解终温逐渐上体逐渐增加,气体产量逐步降低;固体产率基本不升;当微波功率达到总功率的40%时,热解温度接变,而后呈增长趋势.物料量达到250g时,液体产近480℃,然后随着输入功率的增加,温度上升较缓率接近48%,物料为300g时液体产率达49%最(出现平台期),达到总功率的70%时温度上升至大,再随物料量增加,液体产率有所下,固体产率500℃,该平台期的最佳输入功率为总功率的降低,表明物料越多,微波输入能量不足以满足热输入功率1024W300总功率:1.5kW100输入功率占总功率的百分数%玉米秸质量/g图2不同微波功率对温度的影响图4玉米秸秆物料量对热解产品产率的影响ig 2 Effect of different power level onFig. 4 Effect of sample weight on productpyrolysis temperatureyield of corn straw pyrolysis武汉工程大学学报第33卷解所需能量,导致热解转化率下降.因此,最佳的物料加料量与微波输入功率比为0.3kg/kW.2.2热解时间的影响物料微波热解时,热解产品的逸出与时间密切相关图5显示出了微波输入功率为1024W、物料··4量为300g时,微波加热时间对热解产品分布的影响玉米秸秆吸波产热,开始时出现水分蒸发现象;约至3min时热解发生,随微波加热时间的延长,玉0.350.40450.500.55堆密度(kg/m3米热解液体产率逐渐增加,气体产率逐渐升高,热解图6不同玉米秸秆的堆密度对热解产率的影响残余逐渐降低;当加热时间至15min时,热解转化Fig 6 Effect of packing density on product达到最大,气、液、固产率分别为27%、24%、49%;yields of corn straw pyrolysis延长加热时间,热解产品产率基本维持不变.因此,确定微波加热时间为15mn为宜25碳的添加量占玉米秸秆的百分含量图7磯添加量对玉米秸秆热解产品分布的影响5101520253035ig. 7 Effect of carbon on pro图5微波加热时间对玉米秸秆热解产品分布的影响of corn straw pyrolysisEffect of pyrolysis tim由图7可知,随着碳的添加,生物油和热解气产yield of corn straw pyrolysis率也随之增加,焦炭产率下降;当添加量达到10%时,2.3颗粒粒径的影响继续增加碳的添加量,对热解气、液、固体产品产率分颗粒尺寸直接影响玉米秸秆热解产品的产率颗布基本无影响,生物油、热解气和焦炭产率分别为粒尺寸大小不同,其堆密度不同影响着热解产品分39.1%29.0%和31.9%这表明,碳的添加有助于吸布.图6显示出了微波输入功率1024W热解终温波,从而提高升温速率促进液体产品的产出;过量碳500℃、热解时间30mn、玉米秸秆为100g时,玉米会使热解蒸汽进一步分解形成小分子气体,而液体产秸秆的不同堆密度对其热解产品产率的影响由此可率降低因此,碳的用量以不超过5%~10%为宜除知,堆密度小于0.4kg/m3时,液体产率随密度的降碳之外,其它无机物如无机盐、一些氧化物等均能促低而下降;颗粒尺寸大于0.4kg/m3后,气液固产率进玉米秸秆生物质的吸波能力,对其热解产品分布、均趋于一个稳定值.玉米秸秆越细越松散,越有利于液体产品分布有着明显积极作用,详见后续报道产气,不利于而液体产出,可能的原因是松散的固体综合上述,影响因素最佳热解条件为处理量颗粒导致热解气二次分解形成低分子产物0.3kg/kW、热解温度500℃、热解时间15min、2.4吸波剂的影响堆密度大于0.40kg/m3、碳的添加量为5%~通过微波加热实现热解,与物质的吸波能力10%通过重复实验表明,该条件下热解液体、气的大小有关生物质的物料吸波的能力较弱,体、固体产率分别为56%、21%、23%通常需要添加一定量吸波剂.常用的吸波材料有碳化硅、炭等,碳是一种良好的吸波剂图7显示结语出了微波功率输入水平为70%(约1024W)、热a.微波作为玉米秸秆热解一种加热方式,通解温度约500℃、秸秆量为100g、堆密度为过物质吸波使得自身温度升高,实现热分解,具有0.40kg/m热解时间15min条件下,碳的添加不受颗粒尺寸限制、不需要载气等优点,易于设计量对热解产品产率的影响放大(下转第46页)46武汉工程大学学报第33卷Design and structural analysis of arch and beam hybrid system bridgeZHANG Jian-zhi SHI Ming -giang(1. China Railway Siyuan Survey And Design Group Co Ltd, Wuhan 430063, China;2. CCCC Second Highway Consultants Co. Ltd, Wuhan 430056, China)Abstract: In this paper, Mengshan mountain bridge, five large span arch and bea m hybrid systembridge and the design process were introduced in detail, and the research of modeling calculationanalyses of the bridge was done. The results show that external prestressing of the main arch of thesetting or the level of reaction force of the arch are significant reference for the design of si milarKey words: continuous girder bridge; arch bridge; arch and beam hybrid system bridge structuralanalysis本文编辑:张瑞(上接第22页)b微波热解的影响因素很多,主要有微波功(2):106-109率、热解时间、吸波剂、物料量、堆密度等.玉米秸3] Czernik s, Bridgwater AV. Overview of application秆间歇微波热解的最佳条件为:热解温度500℃、of biomass fast pyrolysis oil[J]. Energy &Fuels处理量0.3kg/kW、热解时间15min、堆密度大于2004,18(2);590-598.0.40kg/m3碳的添加量为5%~109%,其热解液41 Krieger-Brockett. icrowave pyrolysis of bima体、气体、固体产品产率分别为56%、21%、23%[J]. Res Chem Intermed, 1994, 20(1):39-49[5]金钦汉,戴树珊,黄卡玛.微波化学[M].北京:科学参考文献:出版社,2001.[6]赵希强,宋占龙,刘洪贞,等,农作物秸秆微波热解特[1]朱锡锋.生物质热解原理与技术[M].合肥:中国科性试验[J].农业工程学报,2009,25(10):210214.学技术大学出版社,2006[6]杨昌炎,杨学民,吕雪松,等.分级处理秸秆的热解过[2]陈应泉,汪翔陈汉平,等.武汉城市圈农村生物质资程[J].过程工程学报,2005,5(4):379-383.源特点及综合利用建议[J].可再生能源,2009,27Study on microwave pyrolysis of corn strawYANG Chang-yan2, WU Zheng-zheng, ZHENG Dong-jie, DING Yi-gang, wU Yuan-xin'(1. Key Lab for Green Chemical Process of ministry of Education, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China;2. College of Chemical Engineering, Huanggang Normal University, Huanggang 438000, China)Abstract: As a renewable energy resource, corn stalks can be converted into liquid fuel by means ofpyrolysis. Microwave pyrolysis of corn stalks was investigated to produce bio-oil. The results showedthat microwave pyrolysis of corn straw wasnced by many factors such as microwave powertemperature, heating time, bulk density of biomass, and a ratio of material weight per kilowatt ofmicrowave power. The process was optimized that 500 C of pyrolysis temperature, a ratio of 0. 3 kg ofcorn straw per kilowatt of microwave power, 5 to 10 percent of carbon additive of the sample can makethe yield of bio-oil to reach 56%Key words: corn straw; microwave pyrolysis; bio-oil本文编輯:张瑞