农林生物质热裂解制取合成气的研究

「新能源及艺农林生物质热裂解制取合成气的研究李建芬,肖波,江建方,马承荣,周兰倩(1.华中科技大学环境科学与工程学院湖北武汊43074;2.武汉工业学院化学与环境工程系湖北武汉4003)摘要:以树叶为原料,利用热裂解装置进行了试验,并对裂解产物的组成进行了分析。结果表明:树叶热裂解产物为生物油、合成气和炭,其合成气成分主要由CO、CH4、H2和水蒸气组成。关键词:生物质;热裂解;合成气中图分类号:TQ517.2文献标识码:A文章编号:1004-3950(2006)01-0019-03Study on syn-gas production from agriculture and forestbiomass by pyrolysisLI Jian-fen, XIAO Bo, JIANG Jian-fan, MA Cheng- rong, ZHOU Lan -gian(1. School of Environmental Science Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Department of Chemical and Environmental Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)Abstract: As feedstock, the leaves are proved by the pyrolysis apparatuses in the experiment. And the productions arehe results show that the pyrolysis production are syn-gas, tar and charade up of CO, CHa, co,, H,Key words: Biomass; Pyrolysis; Syn-ga0零③。因此,随着化石能源的日益枯竭和环境问题的日趋严重,为实现可持续发展的要求,利用农当前我国能源产业和环保领域正面临严峻挑林生物质资源生产制取合成气,甚至生产汽油,能战,一方面燃料紧缺,大量依赖进囗;另一方面我够同时满足环保和燃料供应的需求,不仅可节约国生物质资源十分丰富,仅农作物秸秆的年产量化石燃料资源,而且可减少污染物排放,改善环境就达7亿t,却未得到有效利用,甚至被大量废弃质量。所以,开发和利用农林生物质生产合成气或焚烧,严重污染环境。因此寻找和开发利用可有广阔的应用前景。本实验以农林生物质中的树再生的清洁能源生产燃料已成为十分紧迫的课叶为原料,通过热裂解装置制取合成气,并探讨其題。而生物质作为可再生的清洁能源,其开发利裂解产物的规律及组成,考察物料特性、温度、升用已引起世界各国的高度重视温速率以及滞留时间等工艺参数对热解的影响本文拟将农林生物质通过热裂解转化为合成为其规模化应用提供参考。气,一方面将可再生的大量农林生物质转化为燃料或工业原料供工农业使用,所制取的合成气还实验部分可进一步生产汽油等燃料油,缓解日益紧张的1.1实验原料及设备能源危机;另一方面可避免大量的生物质资源被实验原料:树叶等。废弃或随意焚烧而造成环境污染,变废为宝。同仪器与设备:实验裝置包括螺旋加料器、裂解时在农林生物质利用过程中,SO3、NO,的排放量炉、温控柜、加热装置、粉碎器、旋风除尘器、冷凝少,从碳生态循环的角度看,CO2的排放量为器中国煤化工、集气袋、奥氏气体分收稿日期:2005-11-18YHCNMHG基金项目:湖北省十五科技攻关项目(2003AA307B02)作者简介:李建芬(1968-),男,湖北麻城人,副教授,华中科技大学博士研究生,主要从事固废资源化和化工环保方面的研究工作。2006①能源工程19「新能源及攝艺『析仪等。实验所用装置如图1所示。料的破碎程度有关,呈粉末状,可加工成活性炭用于化工和治炼放空燃烧「在2.1.3液态产物旋风树叶裂解所得液态产物为生物油,成分非常复杂经GC-NS联合分析,大部分是苯的衍生物螺旋及多环芳烃。它在高温时呈气态,与合成气混合加料器圆解隱而在低温时凝结为液态,其干基热值约在20MJkg左右,应用广泛}水蒸汽发生器2.2物料平衡物料平衡就是计算三种产物的收率。本实验图1实验装置图以树叶为原料,消耗量为6.kg,喂入速率为12首先将电炉通电预热,在裂解炉预热期间准#·裂解温度为750℃。物料平衡结果见1.2实验步骤备实验用蒸汽(或不通蒸汽),将预先粉碎的树叶表2物料平衡分析结果送到螺旋加料器中。在裂解炉温度达到预定值并产物产量/kg得率/%稳定后,按预定速度打开螺旋加料器进料,开始实合成气73.8生物油0.35验。树叶在高温下发生热裂解而转变成热裂解20.5气,在旋风除尘器中分离出固体粉尘,进入冷凝器2.3影响树叶热解的主要因素后,部分热裂解气被冷凝形成生物油而被收集,最影响树叶热解的主要因素包括化学和物理两后从导管中逸出的是合成气。气样用集气袋收方面。化学因素包括一系列复杂的化学反应,物集,并用气相色谱进行分析,同时用奥氏气体分析理因素主要是反应过程中的传热、传质以及原料仪对所产生的气体成分进行在线分析。的物理特性等。具体的操作条件表现为:物料特2结果与讨论性、温度、升温速率以及反应的滞留时间等。2.3.1物料特性的影响2.1树叶裂解产物分析树叶的种类、粒径及形状等特性对树叶的热2.1.1气态产物解行为和产物组成等有着重要的影响。物料的挥树叶裂解所得气体是一种可燃性合成气,用发分含量决定其产气量,本实验所使用的原料树气相色谱仪检测其成分,并结合奥氏分析仪在线叶具有较高的挥发分,故其产气率远高于低挥发分析的数据,其成分列于表1。由表可知,合成气分的稻草、稻壳等废弃物。物料粒径的大小是主要由CO、CH4CO2、H2和HQO蒸汽组成。N2和影响热解速率的决定性因素。大颗粒物料比小颗O2可能是气体采样时带入的空气。合成气经放空粒传热能力差颗粒内部升温要迟缓从而对热解燃烧,可观察到该气体极易燃烧,其火苗呈蓝色。产物的分布造成影响。随着颗粒粒径的增大,热表1合成气成分解产物中固相炭的产量增大成分含量/%本实验将树叶破碎为粉末状和片状两种形9,45状,以考察其达到热裂解温度所需的时间和对产物得率的影响。结果发现:粉末状的颗粒所需时CO间短,片状所需时间长。与片状颗粒相比,粉末状V山中国煤化工H2O及其它m过性T,温度是一个很重要的2.1.2固态产物影响因素,它对热解产物的分布、组成、产率和热树叶裂解所得的固体产物为炭,其形状与原解气热值等都有很大的影响。-20-)数搪 ENGINEERING2006「新能源及艺随着热解温度的升高,炭的产率减少,但最终致液态产物迅速減少,气体产物增加,有利于合成趋于一定值,不可冷凝气体产率增加,但最终也趋气的生成。于一定值,而生物油的产率有一个最佳温度范围其值为450~550℃。这是由于热解生成气体的3结论反应活化能最高,生成生物油的反应活化能次之,树叶热裂解产物为生物油、合成气和炭,而其生成炭的反应活化能最低。热解温度越高,越有裂解所得的合成气主要成分为CO、CO2、CH4、H2利于热解气体和生物油的转化,随着挥发物析出和水蒸气等,其中CO含量较高。合成气的低位的一次反应进行得更为彻底,炭的产率降低;进热值为15~20MJ/m3,属于中热值可燃气,其成分而,挥发物中越来越多的大分子的生物油通过二和热值都与城市人工煤气相似,而且其硫化物、氮次裂解反应生成小分子的气体烃,从而使得燃气化物的含量极少,因此该气体是一种优质燃气,可的产率显著增加以直接作民用燃气。2.3.3升温速率的影响由此可见,采用热裂解技术处理农林废弃物,升温速率一般对热解有正反两方面的影响。既可以获得工业生产和日常生活需要的气体燃升温速率增加,物料颗粒达到热解所需温度的响料,又能达到废物利用和保护环境的目的。因此应时间变短,有利于热解;但同时颗粒内外的温差开发和利用农林生物质生产合成气既有广阔的应会变大,这是由于传热滞后效应会影响内部热解用前景,又具有重大的经济、生态和战略意义。的进行。随着升温速率的增大,物料失重和失重速率曲线均向高温区移动”。热解速率和热解参考文献:特征温度(热解起始温度、热解速率最快的温度、「1马隆龙,肖艳京,任永志·生物质气化发电[J]·能热解终止温度)均随升温速率的提高呈线性增源工程,2002,(2):1-3.长。实验表明:在一定的热解时间内,慢加热速率2]郑洪麻林巍,李政,等.费托合成在我国发展会延长热解物料在低温区的停留时间,促进纤维的新机遇[J].动力工程,2002,22(1):15-17素和木质素的脱水和炭化反应,导致炭产率增加。[3]廖艳芬,王树荣,洪军,等生物质热裂解制取液气体和生物油的产率在很大程度上取决于挥发物体燃料的实验研究[J].能源工程,2002,(3):1-34]方梦祥,陈冠益,骆仲泱.反应条件对稻秆热解产物生成的一次反应和生物油的二次裂解反应的竞争分布的影响[J].燃料化学学报,1998,26(2):180结果,较快的加热方式使得挥发分在高温环境下的停留时间增加,促进二次裂解的进行,使得生物51 Bridgwater a V, Peacocke g V. Fast pyrolysis proces油产率下降,燃气产率提高ses for biomass[ J, Sustainable and Renewable Ener-2.3.4滞留时间的影响Reviews,1999,4(1):1-73滞留时间在生物质热解反应中有固相滞留时6]刘汉桥蔡九菊包向军。废弃生物质热解的两种间和气相滞留时间之分。固相滞留时间越短,热反应模型对比研究[J].材料与冶金学报,2003,2解的固态产物所占的比例就越小,总的产物量越(2):153-156大,裂解越完全。在给定温度和升温速率的条件7]张晓东,周劲松,骆仲泱,等,生物质热解煤气中焦油含量的影响因素[J.燃烧科学与技术,2003,9下,固相滞留时间越短,反应的转化产物中固相产(4):229-234物越少,气相产物的量越大。气相滞留时间一般[8]李爱民,李延吉.固体废物在固定床式热解炉内热不影响生物质的一次热解反应进程,而只影响到解产气特性的实验研究[J].环境污染治理技术与液态产物中的生物油发生二次裂解反应的进程设备,2003,4(4):4-10当生物质热解产物中的一次产物进入围绕生物质9] Ayhan Demirbas. Gaseous products from biomass by颗粒的气相中,生物油就会发生进一步的裂化反effects of catalyst on hydro-应,在炽热的反应器中,气相滞留时间越长,生物中国煤化工version and management油的二次裂解就越严重,放出更多H2、CO等,导CNMHG2006①能源工程21