整包秸稈微波熱解的試驗研究

第31卷第1期太陽(yáng)能學(xué)報vd.31,No.12010年1月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICJan.2010文章編號:0254006(2010)01-011806整包秸稈微波熱解的試驗研究趙希強,宋占龍,馬春元,王濤,李龍之(山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院環(huán)境熱工過(guò)程教育部工程研究中心,濟南2001)摘要:使用自制的微波熱重分析裝置對壓縮打包后的小麥和玉米秸稈進(jìn)行了微波熱解試驗,考察了微波輻射下秸稈的熱解特性和影響因素。使用氣相色譜對氣體產(chǎn)物進(jìn)行了定性定量分析,考察了氣體的熱值,并與常規熱解得到的氣體產(chǎn)物進(jìn)行了比較。結果表明:秸稈的微波熱解過(guò)程可以劃分為干燥、預熱解、揮發(fā)份大量析出和炭化等4個(gè)階段物料種類(lèi)和微波功率對熱解過(guò)程具有重要影響。熱解氣體產(chǎn)物中主要成分為氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等。較高的氫氣含量預示著(zhù)秸稈微波熱解可以用來(lái)生產(chǎn)富氫燃氣,研究結果為生物質(zhì)微波熱解的工業(yè)應用提供了基礎性數據。關(guān)鍵詞:微波加熱;熱解特性;失重;秸稈中圖分類(lèi)號:TK6;151文獻標識碼:A0引言統(見(jiàn)圖1)。微波輸入功率共18kW,根據試驗需要,將20套微波發(fā)生器分為4組,爐腔兩側各兩組,每生物質(zhì)熱解是開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)的重要途徑各組5套,可單獨控制。磁控管型號為 Panasonic國學(xué)者針對此展開(kāi)了大量研究山-6。微波加熱是2Ml67B-MIl連續波磁控管,工作頻率為2450MHz,平種全新的加熱方式,能量轉化通過(guò)微波場(chǎng)中材料分均輸出功率為9w。用微型氣泵抽取熱解氣體進(jìn)子或原子間的相互作用進(jìn)行,具有高效快速和“整行取樣氣體從取樣口抽出后依次流過(guò)水洗瓶和微體性”加熱的特點(diǎn)加熱過(guò)程中溫度分布均勻傳熱型氣泵,充人氣袋儲存。傳質(zhì)方向相同,易獲得理想的熱解目標產(chǎn)物。此外,微波可以對較大尺寸物料直接進(jìn)行加熱,省略了破碎等工序。目前微波加熱技術(shù)已經(jīng)應用于生物質(zhì)17熱解,并取得一些成果,但是對于秸稈類(lèi)生物質(zhì)內筒進(jìn)水!1內筒出水微波熱解機理的研究還很欠缺筒出水為深入探索微波熱解機理,本文設計建造了一套整包生物質(zhì)秸稈的微波熱解試驗系統,可以實(shí)現AAA人AA其微波輻照下物料重量和溫度變化過(guò)程的在線(xiàn)監測。14出氣在此試驗臺上對微波輻射下整包秸稈的熱解特性進(jìn)行了研究,并對氣體產(chǎn)物進(jìn)行了分析。研究結果可以為設計開(kāi)發(fā)高效的生物質(zhì)能轉換設備提供理論和試驗基礎,并對熱解產(chǎn)物的利用提供參考。1.氮氣閥;2物料架;3.微波發(fā)生器;4.熱解爐體;5稱(chēng)重托盤(pán);6.上蓋;7.承重支架;8.吊桿;9.倒正絲;10.稱(chēng)重傳感器1試驗1l煙囪;12.氣體取樣口;13.加熱帶;14.保溫層;15.灰門(mén);16冷凝器;17.手動(dòng)葫蘆11試驗設備圖1秸稈整包微波熱解試驗臺微波熱解試驗臺主要包括微波熱解爐、微波發(fā)pyrolysis of straw bale生和控制系統、稱(chēng)重和測溫系統、產(chǎn)物冷凝和收集系中國煤化工收稿日期:20080606CNMHG基金項目:國家自然科學(xué)基金(50906047);教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項科研基金(20080422107)通訊作者:馬春元(1961-),男教授博士生導師主要從事燃煤污染物控制及生物質(zhì)能方面的研究。chym@ sdu. edu. c期趙希強等:整包秸稈微波熱解的試驗研究12物料特性試驗所用物料為小麥和玉米的秸稈。秸稈采用機械壓縮打包打包密度約80kg/m3,尺寸約10mx600mm×600mm。秸稈的工業(yè)分析見(jiàn)表1表1秸稈工業(yè)分析(%)微波1、3組2、4組Table 1 Industrial analysis of straw(%)54s2項目水分灰分揮發(fā)分固定碳小麥秸稈7.417.4玉米秸稈7517.513試驗步驟及測量分析方法料包試驗開(kāi)始前,將秸稈料包置于稱(chēng)重托盤(pán)上并一同放入熱解爐中,蓋上上蓋并密封,最后將托盤(pán)掛鉤距離料包底面250mm水平截面懸掛在稱(chēng)重傳感器下方。通入氮氣30mn后開(kāi)啟微圖2溫度測點(diǎn)布置圖波發(fā)生器,通過(guò)調節開(kāi)啟數量實(shí)現微波輸入功率的Fig 2 Arrangement of measuring points of temperature變化。試驗過(guò)程中監測試樣的重量變化并進(jìn)行氣體產(chǎn)物的收集。采用懸吊式質(zhì)量測量裝置進(jìn)行物料重量的在線(xiàn)監測,其核心部分為稱(chēng)重傳感器(型號為金鐘LBXDTG-t150,精度為50g,量程為150kg)采用直徑4mm的K型鎧裝熱電偶進(jìn)行溫度測量。為考察微波加熱的整體性效果,物料內部布置多個(gè)溫度測點(diǎn)。為避免插入熱電偶測溫對物料重量80120160測量造成影響,單獨進(jìn)行料包的溫度測量。測溫與時(shí)間/min測重使用相同尺寸、質(zhì)量的秸稈料包以及相同的微a微波功率P334W/(kg秸稈)波功率氣相產(chǎn)物用氣相色譜儀(型號: agilent安捷倫TG6890N)進(jìn)行定性定量分析(檢測器類(lèi)型為雙TCD;色譜柱為GDX401+5A分子篩;溫控程序為80℃恒003目70007八DTG-t2結果與討論悠3002.1熱重特性分析因試驗所用物料尺寸較大,內部溫度分布可能時(shí)間/mi不均勻,熱重分析的溫度曲線(xiàn)應能代表料包的整體b微波功率P668W/(kg秸稈)溫度變化。選擇微波輻射方向5個(gè)測點(diǎn)的平均溫度代表物料的整體溫度,溫度測點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。結合圖3小麥秸稈的熱解曲線(xiàn)失重曲線(xiàn),得到小麥秸稈和玉米秸稈的熱重特性曲Fig 3 Pyrolysis curves of wheat straw bale線(xiàn)如圖3、圖4所示。中國煤化工CNMHG12太陽(yáng)能學(xué)報31卷TGt T峰,第一個(gè)峰對應水分蒸發(fā),第二個(gè)峰對應揮發(fā)分大量析出。值得注意的是,第一個(gè)峰由許多小峰構成,DTGt p.02 E700這是因為料包尺寸大,其內部水分逐層吸收微波達0.00到沸點(diǎn)(即水分蒸發(fā)是局部進(jìn)行的)而造成的。在外一373~723K溫度范圍內小麥秸稈和玉米秸稈失重明顯,有大量揮發(fā)分析出,物料急劇失重,失重量占總失重的80%~90%,這與賴(lài)艷華等常規熱重的結果基本吻合。揮發(fā)分大量析出后,DTGt曲線(xiàn)仍有時(shí)間/min許多鋸齒狀峰形,這是因為此階段仍有少量揮發(fā)分a微波功率P334W/(kg秸稈)析出,并且受到稱(chēng)重傳感器精度的限制,造成DTGt曲線(xiàn)不平滑。從熱解終點(diǎn)看,小麥秸稈剩余質(zhì)量與總質(zhì)量之比約為033,玉米秸稈約為036,比工業(yè)分析中固定DTG-碳和灰分之和(約0.23)大許多,原因是本試驗的熱解終溫較低,僅約為900K,而且局部區域溫度可能06更低,造成熱解不完全。小麥秸稈和玉米秸稈的差00別主要是由物料種類(lèi)不同和料包含有雜質(zhì)造成的。00422熱解影響因素分析結合先前的研究,主要考察了加熱溫度和時(shí)間、時(shí)間/minb微波功率P=668W/(kg秸稈)微波功率、物料種類(lèi)等對熱解的影響。依據熱重曲線(xiàn),可將秸稈的微波熱解過(guò)程劃分圖4玉米秸稈的熱解曲線(xiàn)為4個(gè)階段,即干燥段、預熱解段、揮發(fā)分大量析出Fig. 4 Pyrolysis ccurve of com straw bale段和炭化段。小麥秸稈和玉米秸稈熱解各階段的劃圖3b和圖4b中DGt曲線(xiàn)出現一小一大兩個(gè)分及失重量與溫度區段時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表2和表3。表2小麥秸稈揮發(fā)分析出分布Table 2 Distribution for volatile of wheat straw微波功率階段I階段Ⅱ階段Ⅲ階段ⅣW·(kg秸稈)(<373K)(373~453K)(453~723K)(>723K)失重/%析出量/%18.538.3時(shí)間/min21.034.037.042.0析出量/%6810.015.084.0表3玉米秸稈揮發(fā)分析出分布Table 3 Distrbution for volatile of com straw微波功率/W·(kg秸稈)-1目階段I階段Ⅲ階段Ⅳ(<373K)453K)(453~723K)(>723K)失重/%析出量/%16.163.8時(shí)間/min21.028.035.0析出量/%599時(shí)間/min11.013.0從表中可以看出,在不同微波功率下,不論玉米的預中國煤化工勺失重占到總失重還是小麥秸稈,階段Ⅲ的失重最多,對應溫區為453的75CNMHG723K,加上階段Ⅱ的失重,在溫區373~723K對應秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3種主1期趙希強等:整包秸稈微波熱解的試驗研究21要組成物以及一些可以溶于極性或弱極性溶劑的提抽取,經(jīng)水洗去除焦油后用氣體采樣袋收集的不可取物組成。半纖維素主要在48~623K分解,纖維凝氣體,使用氣相色譜儀進(jìn)行定性定量分析素主要在598-648K分解,木質(zhì)素在523-773K分分析結果顯示,微波功率P=334W/(kg秸稈)解。半纖維素和纖維素主要產(chǎn)生揮發(fā)分,而木質(zhì)時(shí)熱解氣體的主要成分為:CO、CO2、H2、CH、C2H素主要分解成炭。本試驗中物料失重主要集中在和少量小分子不飽和烴,占到純熱解氣(扣除氮氣和373~723K溫度段,主要是纖維素、半纖維素和部分氧氣)總量的95v%以上(如表4)。熱解氣體中氫木質(zhì)素分解所致。高于723K后,剩余木質(zhì)素分解,氣含量最高,在進(jìn)入揮發(fā)份大量析出階段之后,氫氣失重變化很慢在純熱解氣中的含量均在30o%以上,合成氣微波功率增大,會(huì )縮短達到相同揮發(fā)分析出量(H2+CO)含量大于50%,而且熱解溫度較之常規所需的時(shí)間。微波功率對秸稈熱解速率的影響見(jiàn)圖熱解低,因此微波熱解在制取氫氣方面具有較明顯5。在微波功率為34Ww/(kg秸稈)下,秸稈完成前3優(yōu)勢。個(gè)階段所需時(shí)間約為90min,而在微波功率668表4純熱解氣熱值最大時(shí)氣相組分W(kg秸稈)下,完成前3個(gè)階段所需時(shí)間約為6 Omino Table4 Contents of pure pyrolytic gas at maximum heat value0061.P=334W/(kg秸稈)(單位:vol%)22.P=668W/(kg秸稈)名稱(chēng)COCO2H2CHC2HC2HE004小麥秸稈17.5020.6037.1021.700.660.84玉米秸稈18.4018.4035.2023.000.831.10注微波功率P=34W·(kg秸稈)1圖6所示為秸稈熱解過(guò)程中氣體主要組分含量隨時(shí)間的變化。圖中各組分的含量是組分在包含氮氣和氧氣的總氣體中的含量。時(shí)間/mi小麥秸稈H2→CO+CH6009C2H2→ CH-p-CO1.P=334W/(kg秸稈)0.0222P668W/(kg秸稈DTG-!海aamAArLbm時(shí)間/minb.玉米秸稈圖6微波功率P=334W/(kg秸稈玉米秸稈熱解氣體組分含量變化圖5微波功率對秸稈熱解速率的影響Fig 6 Curves of components content of pyrolytic gas forFig 5 Influence of microwave power on pyrolytic rate of strawwheat straw in microwave power P=334W/(kg straw從圖5中可以看出,在相同微波功率下,小麥秸從圖6中可以看到CO和CO2含量達到最大值稈比玉米秸稈熱解更快,結合表2和表3,小麥秸稈的時(shí)刻比其它組分早,分析其原因為:本試驗熱解爐進(jìn)入熱解各階段比玉米秸稈早,總失重也更多,小麥體積較大,試驗前雖通氮氣,但氧氣仍不能完全去秸稈和玉米秸稈的微波熱解存在明顯差別,即物料除中國煤化工生反應,生成部分種類(lèi)對熱解過(guò)程也有重要影響。cOCNMHG量的降低遠低于23氣相產(chǎn)物分析工丌,囚屺UU和CO2含量出現峰氣相產(chǎn)物是在熱解過(guò)程的不同時(shí)刻用微型氣泵值應為秸稈熱解所致,具體反應機理還需進(jìn)一步研太陽(yáng)能學(xué)報31卷C2H和少量低分子不飽和烴,各組分含量的變化趨DTGt曲線(xiàn)顯示失重峰對應于CO和CO2高含勢相同,CO、CO2含量峰值比其他含氫氣體先出現。量區域說(shuō)明秸稈在熱失重下主要析出產(chǎn)物為CO純熱解氣中氫氣體積含量可大于3001%,合成氣和CO2。H2、CH、CH等成分的析出滯后于Co和(H2+CO)大于50vo%。CO2,其最大析出量出現時(shí),失重峰已基本結束,因而氫氣和含氫可燃成分并不是直接來(lái)自于揮發(fā)分[參考文獻而是由某些中間產(chǎn)物或多碳化合物裂解生成,這與[1] Raveendran K, Ganesh A, Hilar K C. Pyrolysis characteris-文獻[15,16]用 TG-FTIR聯(lián)用得出的結論一致。tics of biomass and biomass components[ J]. Fuel, 1996, 75微波熱解所得氣體富含可燃成分,其熱值隨時(shí)(8):987-998間變化的曲線(xiàn)如圖7所示。2]賴(lài)艷華,呂明新,馬春元,等.程序升溫下秸稈類(lèi)生物質(zhì)燃料熱解規律[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2001,7(3):一實(shí)際氣體10純熱解氣452486420[3]劉榮厚,袁海榮玉米秸稈熱解反應動(dòng)力學(xué)的研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報,2007,28(5):527-531[4]張曉東,許敏,孫榮峰,等.玉米秸熱解動(dòng)力學(xué)研究[J.燃料化學(xué)學(xué)報,006,34(1):123-125[5]王君,張明旭,陳明強,等.3種生物質(zhì)的裂解特性及動(dòng)力學(xué)建模[J].煤炭學(xué)報,200,32(2):194-197[6]程世慶,尚琳琳,張海清.生物質(zhì)的熱解過(guò)程及其動(dòng)時(shí)間/min力學(xué)規律[J.煤炭學(xué)報,200,31(4):501-505圖7微波功率P=34W/(kg秸稈)玉米秸稈[7] Yu Fei, Ruan Roger, Deng Shaobo, et al. Microwave pyrol熱解氣體熱值時(shí)間和失重曲線(xiàn)關(guān)系ysis of biomass[A]. 2006 ASAE Annual Meeting[C],poFig 7 Relationship of weight loss, heat value of pyrolyticland, Oregon, 2006gas and time under microwave power P= 334W/(kg straw[8] Dominguez A, Menendez J A, Femdndez Y, et al.Conven-圖7顯示熱解氣熱值最大時(shí),已經(jīng)接近快速失tional and microwave induced pyrolysis of coffee hulls for the重的尾氣,這與含氫氣體含量峰值對應。如果以制production of a hydrogen rich fuel gas[ J]. J Anal Appl Pyrol可燃氣為目的,在微波功率P=334W(kg秸稈)連ysis,2006,79(1):128-135續運行情況下,物料停留時(shí)間以80~100min為宜[9] Menendez J A, Inguanzo M, Pis JJ. Microwave-induced py-rolysis of sewage sludge [J]. Water Research, 2002,36此時(shí)揮發(fā)分已基本析出完畢且氣體熱值較高。(13):3261-3264結論[10] Masakatsu Miura, Harumi Kaga, Shigenobu Tanaka, et alRapid microwave pyrolysis of wood[J].Jourmal of Chemical本文通過(guò)試驗對整包秸稈的微波熱解進(jìn)行了研Engineering of Japan, 2000, 33(2): 299-302究并進(jìn)行了產(chǎn)物分析,得到以下結論[11] Masakatsu Miura, Harumi Kaga, Takashi Yoshida, et al1)依據熱重曲線(xiàn),秸稈的微波熱解過(guò)程可以分Microwave pyrolysis of cellulosic materials for the production為干燥、預熱解、揮發(fā)分大量析出和炭化等4個(gè)階of anhydrosugar[J]. The Japan Wood Research Society,段,各階段對應溫區和失重機理不同;2001,47(6):5025062)秸稈的微波熱重規律與常規熱重基本吻合,[2】譚瑞淀,王同華,債素,等,微波輻照熱解廢印刷電在453~723K之間為揮發(fā)分析出最多的階段,高于分析研究[η23K后失重非常緩慢。微波功率對熱解最終溫度(8):59960l[13]賴(lài)艷華,呂明新,馬春元,等.秸稈類(lèi)生物質(zhì)熱解特性影響不大。微波功率增大會(huì )使熱解各階段提前,最M凵中國煤化工,x0,2(2):20大熱解速率隨微波功率近似呈線(xiàn)性增大,熱解所需時(shí)問(wèn)減小;CNMHG[14]新肥踝習門(mén)生朧曝僅術(shù)M].江蘇:東南大3)熱解氣體的主要成分為CO、CO2、H2、CH、學(xué)出版社,200,116-117趙希強等:整包秸稈微波熱解的試驗研究[5]肖軍,沈來(lái)宏,鄭敏,等.基于 TG-FTIR的生物質(zhì)[16]王樹(shù)榮,劉倩,文麗華,等.基于熱重紅外聯(lián)用分析催化熱解實(shí)驗研究[門(mén).燃料化學(xué)學(xué)報,00,35(3):的生物質(zhì)熱裂解機理研究[門(mén)].工程熱物理學(xué)報,STUDY ON THE CHARACTERISTICS OF MICROWAVEPYROLYSIS PROCESS FOR STRAW BALEZhao Xiqiang, Song Zhanlong, Ma Chunyuan, Wang Tao, Li Longzhi(School of Energy and Pouer Engineering, Engineering Research Center of Enironment and Thermal Processinistry of Education, Shandong University, Jinan 250061, China)Abstract: The initial work into the pyrolysis of straw bale using microwave energy was described. A series of batch exper-iments were carried out using a microwave thermogravimetric apparatus at different conditions, such various straw and mi-crowave power level. Component analysis of gaseous products was carried out using gas chromatography which provides acomparison with gaseous product produced using conventional methods. The results shown that the microwave pyrolysisprocess is composed of four stages: drying, pre-pyrolysis, volatile releasing massively and carbonization, and materialtype and microwave power have important impacts on it. The major compositions in gaseous products are H,,CO2, COCH. The high H2 content imply that microwave pyrolysis of biomass has the potential to produce the H2-rich fuel gasThe research results provide the foundational data for the industrial utilization of biomass using microwave technologyKeywords: microwave heating; pyrolytic characteristics; weight loss; straw中國煤化工CNMHG