玉米秸秆快速热解

生物质利用

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第 2卷第4 l期 20 0 0年 1月 O

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·色化学与技术专栏·绿

玉米秸秆快速热解苎堕±: !陈洪 张 桂兰，室\章，均荣，李 查f中国科学院化工冶金研究所 .北京 10 8 2河北省环境保护研究所河北石家庄 0 0 5 1 0 00 50 1

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，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 4 0C左右的温度下，实收 4%左右的液体产品.采用改进的固体 g' 5

热载体循环流化技术，秆将料也能实现连续高温热解，用富氧和蒸汽作流化剂， 70C以上秸不在 0"

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1前言

中图分类号：" 32 文献标识码： A r 5. Q 4 文章编号： o1 o220> -44 4, . 2 1o一 5( 0+ 3- o 00 0 n

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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， s排放量增加，使酸雨区扩大到国土面积的 4%, O排放量已居世界第二 . 02 0 C 2另一方面，我国农村人口占 7%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 0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，为国际上生物质利用研究的一个热点，尤其是成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 J我国玉米秸秆年产量达 2、 .吨，占农作物秸秆总量的 4%,但玉米秸秆快速热解的 5亿 0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 2 un/, r长度√小于 1 l 2 0 gm￣堆密度 9 g,工业分析和元素分析见表 1 7k/其 . 0nm,粉料真密度 1 3 k/,l、

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表 1玉米秸秆粉的性质T be1 a l P o e t s fc nl ta p r ce r p r e o rw a t ls i o s i

流化床床料和循环热载体采用普通河砂，均粒径 02 i真密度 2 6 gm,密平 .8 m, l f 6 5k/堆度 1 1,,室温下临界流化速度 L F 0/,终端速度 U= 0 s 0k m] 5 g .8 s m t1 8 m/收藕日期： 19 - -6修回日期： 19 -11 99o o, 9 9 91-6作者筒舟：姚建￣(93) 14-,男，浙江绍兴^,大学毕业，研究员，化学工程专业.

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4期

姚建中等：玉米秸秆快速热解

2 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示.所改变图 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 .

图 1生物质热解实验流程图F g 1S h mai i g a fb o a sp r l s sp o e s i c e tcd a r m o i m s y o y i r c s

进行粉料下落式热解实验时，安装的反应管内径 9 m, 20 0I内装多层可调挡板， 0m高 0 m, n 从加料器 5加入的秸秆粉用氨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 l .分别收集冷凝产物和煤气，半焦由下部料罐收集、 O缩短下落管长度，取消内构件 .在下落管下端安装一个内径 3 0mm的锥形喷动流化床，用氨气作流化介质，就可 0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 l、半焦燃烧器 7 2、气固分离器 2 .就成为载体循环热解气化装置、秆粉在热解反应器 8端与通过蝶阀 3后秸顶 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 l,获得液体产品和煤气. O半焦和循环

砂通过空气输送的返料 v阀 l进入燃 2烧器 7,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 f1 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的传热条件下，热解温度对热解产品产率的影响如图 2 所示.结果表明， 4 0在 8℃左右液体收率最高，包括冷凝器沉积的全部收集量可达到 4%左右， 5 气体产率较低 .约为 3% 0左右，半焦的产率接近 2%.随着温度的提高，液体收率明显下降， 5但 而气体产率明显上升 . 7 0在 4℃时达到 7%以上 .半焦的产率下降为 1%左右.玉米秸秆 0而 3对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 c 2 o浓度明显下降，含量明显增加 .而 C O.G C- k, I h在实验范围内没有显著变化 .根据成份计算的煤气热值一般均在 1/ m3以上. 6 MJ N随着温度提高，由于 C 2 0浓度降低、H浓度增加，煤气热值略有增加，接近 1/ 下落式热解实验结果表明 .即使在 2 8MJ Nm .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.

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2 1卷

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图 2热解产品产率与热解温度的关系F g 2 Ef c f e i . f t mp r t r i l f o c s e o t e a u e Ony e d o pr du t

图 3热解温度对煤气组份的影响Fi fe t ftmp rt r ng sc g 3Ef c o e eaueO a omp sto oi n i

3 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

.述实验前

证明在 4 0左右生物油产率较高 . 8￣ C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， 2流化介质.表 N作 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T b e 2 Yi l r m o n sr w u d z d p r l ssr a t r a l e d fo c r ta i a

f i i e y o y i e co n l

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. 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，但生物油液表体收率有所增加，若按推算值计，液体收率可达 5%以上.说明流化床较高的传热速率有利于 6增加液体产出率.对所获干煤气成份进行分析表明，煤气中 c[ C 4,和 H含量下降，而含量明 H 显增加，但煤气热值仍达到 1 MJ is . 1/ n以 N热解半焦中氧含量下降为 76获份达到 3%, .%, 0 说明秸秆中大量含氧有机物已经分解 .热解液体产物进行了初步分析，对液体平均含水 4%, 5 p H值为 3左右，按干基物料计算的有机组份产出率约为 3%,经定性分析， . 3 0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高的煤气产率和热值，需要保持 70C以上的热解温度， 0￣ 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，4 k/ g 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 l m/ a 1 J N’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 .

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34讨论 .

与国外以木材为原料的快速热解工艺相比口，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 .可以减少空气量，

高煤气热值.还提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 4O 8℃左右进行玉米秸秆快速热解，以得到 4%可 5左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 7 0 0" C以上玉米秸秆热解煤气热值可达到 1M/m以上. JN n 1参考文献：【】中国统计年鉴【 .京：中国统计出版杜， 19 . I M】北 9 6【 Dib l Bd g tr习 e odJ d wae A Ov riw o atP rls f o s f rh rd c o fLq i u l A】 De eo me t n eve fF s,oy i o Bima s o teP o u t no iudF es【 s i v lp nsi T e ' c e c] om￣s o v rinl]Lo d n Blc i ae ca dP oeso a. 9 7 52 h n o h mia BJl . n eso C . n o: a keAcd mi n r sLn 1 1 9 . -3 n sC f

【】李文， 3李保庆.生物质的热解与}体产物的精制【_新能源 . 9 7 1 (0: 2 2 丧 J 19 .9 1 )2 -8

『】姚建中，风鸣 .生物质在热载体循环流化床中的热解气化 I .能源，9 8 2() 1 1. 4王 J新】 19 .O5:4 -8

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