龐赟佶,李騰飛,陳義勝※,許 嘉,盧春曉,沈勝強
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礦物質添加劑對玉米秸稈粉末催化熱解特性的影響
龐赟佶1,2,李騰飛1,陳義勝1※,許 嘉1,盧春曉1,沈勝強2
(1. 內蒙古科技大學能源與環(huán)境學院,包頭 014010;2. 大連理工大學能源與動力學院,大連 116023)
依托自制生物質管式爐熱解試驗平臺,以高速機械摻混的方式將添加劑與玉米秸稈粉末直接混合,在常速熱解條件下探究不同添加劑(Na2CO3、CaO、Fe2O3)對玉米秸稈粉末的原位催化熱解影響,分析計算試驗數(shù)據(jù)得出:在玉米秸稈粉末熱解過程中,3種添加劑均能不同程度降低液相產(chǎn)物產(chǎn)率,提高熱解氣中氫氣產(chǎn)率,其中Na2CO3對液相產(chǎn)物的降低效果是CaO的1.5倍,F(xiàn)e2O3的20倍,Na2CO3主要是催化促進熱解氣的產(chǎn)生,CaO則是促進焦炭的生成,并且二者的熱解焦炭均有不同形式的結焦聚團,且CaO作用下的熱解氣低位熱值較高,而Fe2O3對液相產(chǎn)物的降低效果較?。煌ㄟ^研究3種添加劑對玉米秸稈粉末的熱解影響,為生物質催化熱解中催化劑的選擇和工礦企業(yè)廢物利用提供了有價值的數(shù)據(jù)理論和方向。
熱解;生物質;催化劑;玉米秸稈粉末;結焦聚團
生物質能源作為僅次于煤、石油、天然氣且具有儲量大、清潔、可再生等特點的第四大能源體,是唯一可再生的碳源,近年,對其高效利用的研發(fā)越來越受世界各國政府和專家學者的重視[1-2]。目前生物質能在能源消耗中約占全球的14%,中國農(nóng)村地區(qū)的利用比例更大,約占農(nóng)村總能源消耗的43%[3]。在全球能源危機的壓力下,各國學者專家將尋找代替化石能源的目光注焦在儲量豐富的生物質能源上面,并潛心研究優(yōu)化其利用技 術[4]。目前生物質利用主要在生物質發(fā)電、生物柴油、生物質熱解燃氣和生物質炭等方面,但存在其利用技術仍不成熟,生物質轉化成本高,轉化產(chǎn)物品質及其效率較低等現(xiàn)狀[5-6]。在這種背景下,發(fā)展生物質能利用轉化技術使其成為具有廣闊市場發(fā)展?jié)摿Φ母咂肺荒茉捶浅V匾猍7]。
玉米秸稈在中國生物質能源中占比很大,近年來,關于玉米秸稈熱解特性已做出大量的研究,得出了具有理論意義和實用價值的結論[2,4,7],但關于玉米秸稈熱解過程中添加劑對熱解產(chǎn)物影響的研究較少,且采用的添加劑價格比較昂貴,添加劑回收工序復雜、成本較高。赤鐵礦、堿礦和白云石在中國具有豐富的礦藏,其主要成分分別是Fe2O3、Na2CO3和CaCO3,而且一些工礦企業(yè)產(chǎn)生的廢棄物中富含F(xiàn)e、Ca、Na等元素,如瓦斯灰中富含F(xiàn)e2O3、CaO、FeO、Na2O等物質,水泥窯廢灰中富含F(xiàn)e2O3、CaO、CaCO3、Na2SO4等[8-9]。其中Fe2O3、Na2CO3和CaO作為添加劑對液相產(chǎn)物的產(chǎn)生有著較好的抑制作用[10-11],在生物質熱裂解過程中,較高產(chǎn)率的生物質液相產(chǎn)物不僅堵塞、腐蝕熱解設備及其管路,而且降低生物質能量利用率。本文針對這一方面,選用3種廉價的Fe2O3、Na2CO3和CaO為添加劑,分析其在玉米秸稈粉末熱裂解過程中對其熱解產(chǎn)物的影響,為進一步研究玉米秸稈熱裂解和赤鐵礦、堿礦、白云石和工礦企業(yè)廢棄物瓦斯灰、水泥窯灰作為催化添加劑的研究和廢棄物再利用提供有價值的數(shù)據(jù)理論及方向。
試驗選取包頭市郊區(qū)普通玉米秸稈作為試驗熱解對象,試驗前對玉米秸稈做預處理,首先將玉米秸稈進行破碎風干,然后造粒成型、風干和再次破碎,最后取22目篩子的篩下物,空氣干燥基玉米秸稈的元素分析和工業(yè)分析結果為:C 42.21%、H 5.08%、O 39.77%、N 0.69%和S 0.09%,水分5.54%、揮發(fā)分67.56%、固定碳20.28%和灰分6.62%。選用3種常見且廉價的Na2CO3,CaO,F(xiàn)e2O3作為添加劑,將3種添加劑分別與玉米秸稈粉末進行高速機械摻混,其中添加劑的質量分數(shù)為10%,玉米秸稈粉末與添加劑的混合粉末作為試驗樣品,催化熱解方式為原位催化熱解。
本試驗在自制的生物質熱解試驗平臺上完成,其熱解工藝由生物質催化熱解裝置和熱解產(chǎn)物檢測裝置組成。生物質熱解裝置主要包括管式加熱爐、溫度控制柜、自制熱解反應器和耐高溫集氣袋組成,如圖1所示,熱解產(chǎn)物檢測裝置主要有氣相色譜儀、傅立葉紅外光譜分析儀、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)、能譜儀(energy dispersive spectrometer,EDS)和X射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD)。
圖1 熱解試驗裝置流程圖
根據(jù)前期所做玉米秸稈熱重試驗結果分析可知,在常速熱解條件下,升溫速率對玉米秸稈的失質量率影響不大,且熱解終溫750 ℃以后失質量率基本不變。試驗前,首先設置溫度控制柜控溫程序,升溫速率設置為40 ℃/min,試驗終溫分別設定為350,450,550,650,750 ℃,終溫保溫時間設為15 min。選用耐高溫石英管作為熱解反應器的載體,反應器采用耐高溫石英材料制造,反應器前端可拆卸,便于樣品的取放,反應器后端放置樣品,反應器前后端采用磨砂密封連接(氣密性已通過驗證),放置熱解樣品后使用氮氣對反應器內空氣進行置換,確保無氧或貧氧的熱解環(huán)境,生物質液相產(chǎn)物和熱解氣統(tǒng)一收集在耐高溫集氣袋中,后期分離。稱量試驗樣品5 g,和試驗前反應器前端至集氣袋的總質量,將試驗樣品放入熱解反應器中,然后將熱解反應器放置在石英管中管式爐中央加熱區(qū),熱解反應器至耐高溫收集袋在試驗全程處于連接封閉狀態(tài)。熱解反應結束后,分離出集氣袋中的熱解氣通入氣相色譜儀中對氣體組分分析,然后稱量試驗后反應器前端至收集袋的總質量,熱解前后的質量差是液相產(chǎn)物和自由水的總質量,減去失水試驗得出的自由水失質量即為液相產(chǎn)量,然后稱取熱解反應器后端的焦炭質量。每組試驗均做重復試驗,避免數(shù)據(jù)偶然性,計算繪制數(shù)據(jù)誤差曲線。由熱重理論可知[12-14],玉米秸稈在30~150 ℃為自由水失水階段,失水試驗原料直接選取相對應的熱解試驗原料,設置干燥箱溫度為150 ℃,將試驗原料放置干燥箱干燥1 h,稱量計算干燥前后原料質量得出每個熱解原料的失水率,計算出對應樣品失水質量。
玉米秸稈粉末在無任何添加劑作用下的熱解產(chǎn)物變化情況如圖2所示,熱解產(chǎn)物變化規(guī)律如下:液相產(chǎn)物和熱解氣產(chǎn)率隨熱解溫度升高而增加,分別由350 ℃時的34.3%,14.4%增加到41.9%和23.1%,分別增加變化了7.6%,8.7%;而焦炭由51.3%減少到35%,減少了16.3個百分點,3種熱解產(chǎn)物的變化規(guī)律和其他學者基本相似[4,10-11,15]。
根據(jù)圖2無添加的產(chǎn)物產(chǎn)率曲線,玉米秸稈粉末在350~450 ℃的熱解過程中,焦炭快速減少,液相產(chǎn)物和熱解氣快速的增加,但液相產(chǎn)物變化明顯優(yōu)于熱解氣,從現(xiàn)有的研究來看,纖維素、半纖維素和木質素的熱解區(qū)間分別為270~420,200~400和200~500 ℃[12,16],此階段生物質中活性有機大分子鏈發(fā)生脫水、裂解、解聚、開環(huán)等初始反應,產(chǎn)生大量可冷凝和不可冷凝揮發(fā)分[17-18],是液相產(chǎn)物的主要產(chǎn)生階段,此階段液相產(chǎn)物和熱解氣的產(chǎn)率均有明顯提升。玉米秸稈粉末液相產(chǎn)物主要產(chǎn)生于450 ℃之前,約占總液相產(chǎn)量的95.5%。從相關研究發(fā)現(xiàn),低溫熱解階段一次揮發(fā)分中主要是左旋葡聚糖(LG)、乙酸、乙醇醛、酚類物質和少量的呋喃類物質等可冷凝揮發(fā)分[8,19]。從試驗結果來看,溫度高于450 ℃之后,液相產(chǎn)率隨溫度的變化率明顯減少,焦炭產(chǎn)率減少略低于之前,熱解氣增加率變化不顯著。半纖維素主要熱解階段在200~400 ℃,其熱解過程中發(fā)生熔融并附在纖維素表面,阻礙纖維素熱裂解揮發(fā)分析出[16],增加可冷凝揮發(fā)份的停留時間,促進液相產(chǎn)物的二次裂解,降低液相產(chǎn)率。450 ℃以后半纖維素熱裂解基本結束,半纖維素延長纖維素揮發(fā)分的滯留時間,增加LG開環(huán)、C=C和C-H基團的裂解變形[20]、羰基重整異構化斷裂的概率,一次揮發(fā)分二次裂解生成小分子烴類等熱解氣成分,同時木質素脫揮發(fā)分反應和結焦反應增加[21],產(chǎn)生大量熱解氣。液相產(chǎn)物的生成的反應程度略大于其二次裂解反應,呈緩慢增加趨勢。木質素550 ℃之后通過脫水、脫羧、裂解重整等反應生成芳香族特性更強的焦炭和少量不可冷凝揮發(fā)分[21]。熱解揮發(fā)分的析出主要發(fā)生在550 ℃之前,失重率達63.8%,此溫度之后的失質量明顯降低,550~750 ℃溫度間的失質量率僅為2.4%。
不同添加劑在玉米秸稈粉末熱解過程中對熱解產(chǎn)物的影響如圖2所示。由圖2 a為玉米秸稈粉末液相產(chǎn)物在不同添加劑下的產(chǎn)率變化情況,分析發(fā)現(xiàn)3種添加劑作用下的液相產(chǎn)物均在450℃之前大量產(chǎn)生,之后產(chǎn)生量較少,其中Na2CO3和CaO顯著降低液相產(chǎn)率,對液相產(chǎn)物有著明顯的催化裂解作用,而Fe2O3作用下的液相產(chǎn)物變化與無添加時相似,550 ℃之后略有降低,促進液相產(chǎn)物的二次裂解,結合圖2b和2c中熱解氣和焦炭產(chǎn)率的變化可以發(fā)現(xiàn),550~750 ℃熱解氣增加了4.84%,焦炭減少速率增加。王樹榮等[21-23]認為液相產(chǎn)物中較穩(wěn)定的醛類在高溫條件下發(fā)生脫羰基反應、一級熱解產(chǎn)物的轉糖苷、多級脫水反應和苯丙烷單元高度聚合的支鏈化合物發(fā)生解聚、其上的側鏈、官能團等發(fā)生斷裂和脫除,向著芳香族特性更強的焦炭方向反應,同時產(chǎn)生大量的氣體揮發(fā)分,由此推測Fe2O3在高溫下會促進這些反應的進行。分析計算添加劑作用下的液相產(chǎn)率變化得出Na2CO3對液相產(chǎn)物的降低效果約是CaO的1.5倍,F(xiàn)e2O3的20倍。
Na2CO3和CaO作用下的液相產(chǎn)物在350~450 ℃快速增加,分別增加變化了8.2%和7.4%,其液相產(chǎn)物變化速率明顯大于無添加時和Fe2O3,但產(chǎn)率大大低于后者。結合圖2b和2c中產(chǎn)物產(chǎn)率變化曲線可以發(fā)現(xiàn),二者液相產(chǎn)物的變化趨勢相似,但其熱解氣和焦炭產(chǎn)生情況不同,推測Na2CO3在促進玉米秸稈熱裂解的同時促進可冷凝揮發(fā)分的二次裂解和焦炭的高度芳香炭化來產(chǎn)生大量的不可冷凝揮發(fā)分(熱解氣);CaO在促進玉米秸稈熱裂解的同時促進可冷凝揮發(fā)分的二次裂解、重整、環(huán)化等炭化反應生成一級焦炭,并且吸收反應中產(chǎn)生的CO2和H2O[24-25]。前者主要催化促進液相產(chǎn)物熱裂解產(chǎn)生熱解氣,750℃時熱解氣產(chǎn)率高達31.72%,CaO則是促進液相產(chǎn)物重整炭化反應增加焦炭產(chǎn)量,750 ℃時焦炭產(chǎn)率為40%。450~650 ℃時的液相產(chǎn)率變化顯著降低,分別增加了1.0%和0.4%,分析熱解氣和液相產(chǎn)率曲線可以發(fā)現(xiàn),Na2CO3作用下的熱解氣產(chǎn)率隨溫度的平均變化率高于其他添加劑情況,焦炭炭化速率略有下降。兩者的液相產(chǎn)率在650 ℃均達到最大,分別為36.39%和37.88%,650 ℃之后液相產(chǎn)率開始降低,其中CaO降低了3.85%,略高于Na2CO3。由Na2CO3作用下焦炭的變化可以發(fā)現(xiàn),650 ℃之后焦炭產(chǎn)率變化微弱,可認為其一次熱解反應基本結束,其熱解氣的產(chǎn)生主要是液相產(chǎn)物的二次裂解;CaO作用下的熱解氣增加了4.2%,焦炭減少了2.7%,說明CaO在高溫條件下進一步促進一次熱解反應的進行以及液相產(chǎn)物的二次裂解,提高熱解氣產(chǎn)率。
由不同添加劑作用下熱解產(chǎn)物隨終溫變化的規(guī)律可知,在750 ℃時有較低的液相產(chǎn)率和較高的熱解氣產(chǎn)率。750 ℃時不同添加劑下的熱解氣組分如表1所示,添加Fe2O3、Na2CO3后,CH4分別降低了9.5%和25.2%,CnHm、CO,CO2的變化較小,H2的體積分數(shù)分別達到16.92%,18.97%,較無添加時分別增加了14.87%,28.78%,但熱解氣低位熱值均略微降低;添加CaO后的熱解氣組分變化顯著,其中CH4,CnHm分別增加了30.5%,36.79%,CO2,CO較無添加時分別降低23.16%,5.52%;H2增加了22.4%,熱解氣熱值為11.38 MJ/m3,提高了18.3%;由于氣相色譜測量分析時采用N2作為載氣保護,致使熱解氣中氮氣含量不同程度變化。
表1 不同添加劑下玉米秸稈粉末熱解氣組分及低位熱值
觀察玉米秸稈粉末熱解過程中的焦炭變化發(fā)現(xiàn),F(xiàn)e2O3與無添加呈粉末狀,無異?,F(xiàn)象,而添加Na2CO3和CaO的熱解焦炭發(fā)生顯著的結焦聚團現(xiàn)象,分別對其進行SEM和EDS分析,圖3為添加Na2CO3、CaO的外部形貌、SEM和EDS圖像。由圖3a,3b,3c可知,Na2CO3作用下的熱解焦炭外貌呈結焦爐渣狀、有一定硬度、體積增大、燃燒效果較好,微觀呈蜂窩狀、孔洞氣室較多,表面能譜分析知其元素主要為C,Si,O,Na。認為添加Na2CO3的熱解焦炭其孔隙率增大,比表面積變大,且添加劑與生物質接觸充分,這種改變不僅增加了揮發(fā)分在生物質中的滯留時間,增大了生物質與添加劑的接觸面積,改變了熱解傳熱過程,還促進了揮發(fā)分的二次裂解和高聚合度有機大分子的熱裂解,產(chǎn)生大量的熱解氣;由圖3d,3e,3f可知,CaO作用下的熱解焦炭外貌呈雪球狀、體積增大、硬度較低,燃燒效果好,微觀結構呈層片狀,表面分布細小結晶體,對結晶體和層片分別定點能譜分析可知,結晶體主要元素是Si,Ca和O,層片主要元素是C,Si,O。表明添加劑和生物質接觸比較充分,同時焦炭特殊的層片結構影響了介質傳熱,不同程度上增加了揮發(fā)分的滯留時間,促進液相產(chǎn)物等大分子有機物的二次裂解向著焦炭生成方向進行,提高焦炭的產(chǎn)率。
對3種添加劑作用熱解后的焦炭進行XRD分析,結果如圖4所示,發(fā)現(xiàn)添加劑Na2CO3和Fe2O3在熱解前后的存在形式基本不變,CaO熱解后以CaCO3的形式存在,但CaCO3的生成并未改變生物質自身元素平衡,表明生物質熱解過程中無外來元素影響其元素平衡。
將不同添加劑下的玉米秸稈粉末熱解液相產(chǎn)物密封干燥處理,然后分別進行傅里葉紅外光檢測,取有效峰波數(shù)段分析,見表2和圖5,波數(shù)范圍在2 820~3 010 cm-1的吸收峰官能團主要是C-H,推測可能有酮、醛、甲苯等;波數(shù)在980~1 200 cm-1的吸收峰官能團主要是C-C,C-O,推測可能有酚、醇類和芳香脂肪族等;波數(shù)在840~920 cm-1的吸收峰官能團主要是烯類和各種取代苯C-H。無添加劑的紅外光譜圖中C-C、C-O的峰面積為55%,酮等C-H和烯類、取代苯C-H的峰面積均為11%,其中添加添加劑后的C-C、C-O峰面積占比不同程度降低,其中Na2CO3和CaO降低幅度最大,降低了19%,酮、醛類等的C-H峰面積增加了10%,烯類和取代苯C-H峰面積降低了4%;添加Na2CO3后,酮、醛類C-H峰面積增加了5.9%,烯類和取代苯C-H峰面積只降低了0.32%。結合熱解氣低位熱值及其氣體組分變化認為:添加劑的添加可促進酚類等大分子的裂解,烯類和取代苯C-H的減少在一定程度上可以使CH4和CnHm的增加。
圖3 不同添加劑下玉米秸稈粉末熱解焦炭SEM/EDS圖像
圖4 不同添加劑下玉米秸稈粉末熱解焦炭XRD圖像
表2 不同添加劑下玉米秸稈粉末熱解液相產(chǎn)物傅立葉紅外分析
圖5 玉米秸稈粉末液相產(chǎn)物傅里葉紅外光圖譜
以高速機械摻混的方式將添加劑與玉米秸稈粉末直接混合,通過不同添加劑(Na2CO3、CaO、Fe2O3)在常速熱解條件下對玉米秸稈粉末的原位催化熱解影響的探究,得出如下結論:
1)玉米秸稈粉末液相產(chǎn)物主要產(chǎn)生于450 ℃之前,約占總液相產(chǎn)量的95.5%。
2)3種添加劑均能不同程度降低液相產(chǎn)物產(chǎn)率,顯著提高氣氫氣產(chǎn)率,其中 Na2CO3對液相產(chǎn)物的降低效果是CaO的1.5倍,F(xiàn)e2O3的20倍,F(xiàn)e2O3在550 ℃之后對液相產(chǎn)物有一定的降低效果。
3)在玉米秸稈粉末熱解過程中,Na2CO3主要是催化促進熱解氣的產(chǎn)生,CaO則是促進焦炭的生成,提高熱解氣低位熱值,達到11.38 MJ/m3,并且二者的熱解焦炭均有不同形式的結焦聚團,650 ℃之后二者液相產(chǎn)物的二次裂解反應強度加強。
3種添加劑對玉米秸稈粉末的熱解有著不同程度的催化影響,為生物質催化熱解中催化劑的選擇和工礦企業(yè)廢物利用提供了有價值的數(shù)據(jù)理論和方向。
[1] 劉杰云,沈健林,邱虎森,等. 物質炭添加對農(nóng)田溫室氣體凈排放的影響綜述[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2015,34(2):205-212. Liu Jieyun, Shen Jianlin, Qiu Husen, et al. Effects of biochar amendments on net emissions of greenhouse gases from croplands: A review[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(2): 205-212. (in Chinese with English abstract)
[2] 王冠,趙立欣,孟海波,等. 我國生物質熱解特性及工藝研究進展[J]. 節(jié)能技術,2014,32(2):120-124. Wang Guan, Zhao Lixin, Meng Haibo, et al. Biomass pyrolysis characteristics and technology progress[J]. Energy Conservation Technology, 2014, 32(2): 120-124. (in Chinese with English abstract)
[3] 姜彥立,齊慶杰,周新華. 玉米秸稈恒溫熱解試驗研究及動力學分析[J]. 能源與環(huán)境,2006(3): 12-13. Jang Yanli, Qi Qingjie, Zhou Xinhua. Experimental study and kinetic analysis of corn straw thermostatic pyrolysis[J]. Energy and Environment, 2006 (3): 12-13. (in Chinese with English abstract)
[4] 惠世恩,梁凌,劉長春,等. 升溫速率、氣氛與粒徑對玉米秸稈熱解特性的影響[J]. 熱力發(fā)電,2014,43(5): 59-64. Hui Shien, Liang Ling, Liu Changchun, et al. Effects of heating rate, atmosphere and particle size on corn stalk's pyrolysis characteristics[J]. Thermal Power Generation, 2014, 43(5): 59-64. (in Chinese with English abstract)
[5] 袁振宏,雷廷宙,莊新姝,等. 我國生物質能研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢分析[J]. 太陽能,2017(2):12-19,28 Yuan Zhenhong, Lei Tingzhou, Zhuang Xinshu, et al. The research status and future trend analysis of biomass energy in China[J]. Solar Energy, 2017(2): 12-19, 28. (in Chinese with English abstract)
[6] 劉康,賈青竹,王昶. 生物質熱解技術研究進展[J]. 化學工業(yè)與工程,2008(5): 459-464. Liu Kang, Jia Qingzhu, Wang Chang. Development on biomass pyrolysis technology[J]. Chemical Industry and Engineering, 2008(5): 459-464. (in Chinese with English abstract)
[7] 楊依,孫怡,秦占斌,等. 生物質熱解的最新研究進展[J]. 化學工程師,2016,30(3):47-50. Yang Yi, Sun Yi, Qin Zhanbin, et al. Latest research progress of biomass pyrolysis[J]. Chemical Engineer, 2016, 30(3): 47-50. (in Chinese with English abstract)
[8] 胡天洋,孫體昌,寇玨,等.高爐灰為還原劑對海濱鈦磁鐵礦直接還原焙燒磁選—鈦鐵分離的影響[J]. 工程科學學報,2016,38(5):609-616. Hu Tianyang, Sun Tichang, Kou Yu, et al. Effect of blast furnace dust as a reductant on direct reduction roasting for separating titanium and iron in seaside titanomagnetite[J]. Chinese Journal of Engineering, 2016, 38(5): 609-616. (in Chinese with English abstract)
[9] 崔素麗,延愷,王安國,等. 水泥窯灰(CKD)改性膨脹土的脹-縮特性試驗研究[J].水文地質工程地質,2015,42(5):102-106. Cui Suli, Yan Kai, Wang Anguo, et al. An experimental study of expansion-shrinkage characteristics of cement-kiln- dust-treated expansive soil[J]. Hydroglogy& Engineering Geology, 2015, 42(5): 102-106. (in Chinese with English abstract)
[10] Yu Q Z, Brage C, Nordgreen T, et al. Effects of Chinese dolomites on tar cracking in gasification of birch[J]. Fuel, 2009, 88(10): 1922-1926.
[11] Devi L, Ptasinski K J, Janssen F J J G, et al. Catalytic decomposition of biomass tars: use of dolomite and untreated olivine[J]. Renewable Energy, 2005, 30(4): 565-587
[12] 陳森. 生物質熱解特性及熱解動力學研究[D]. 南京:南京理工大學,2005. Chen Sen. Study on Pyrolysis Characteristic and Pyrolysis Kinetics of Biomass[D]. Nanjing: Nanjing University of Technology, 2005. (in Chinese with English abstract)
[13] 楊冬,陳清文. 北方地區(qū)典型生物質的熱重分析及動力學研究[J]. 燃燒科學與技術,2014,20(4):319-322. Yang Dong, Chen Qingwen. TG-DTG analysis and kinetics of typical biomass in northern china[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2014, 20(4): 319-322. (in Chinese with English abstract)
[14] 宋春財,胡浩權,朱盛維,等. 生物質秸稈熱重分析及幾種動力學模型結果比較[J]. 燃料化學學報,2003(4): 311-316. Song Chuncai, Hu Haoquan, Zhu Shengwei, et al. Biomass pyrolysis and its kinetic parameters with different methods[J]. Journal of Fuel Chemistry, 2003(4): 311-316. (in Chinese with English abstract)
[15] 陳義勝,李姝姝,龐赟佶,等.幾種典型城市生活垃圾的熱解特性和動力學分析[J]. 科學技術與工程,2015(35): 179-184. Chen Yisheng, Li Shushu, Pang Yunji, et al. Pyrolysis characteristics and kinetics of four typical municipal solid waste (MSW) based on thermo gravimetric analysis (TGA) [J]. Science and Technology and Engineering, 2015(35): 179-184. (in Chinese with English abstract)
[16] 王樹榮,駱仲泱. 生物質組分熱裂解[M]. 北京:科學出版社,2013:131-133.
[17] Boroson M L, Hward J B, Longwell J P, et al. Product Yields and kinetics from the vapor phase cracking of wood pyrolysis tars[J]. AICHE Journal, 1989, 35(1): 120-128.
[18] Li S, Lyons-Hart J, Banyasz J, et al. Real-time evolved gas analysis by FTIR Method: An experimental study of cellulose pyrolysis[J]. Fuel, 2001, 80(12): 1809-1817.
[19] 王樹榮,駱仲泱. 生物質組分熱裂解[M]. 北京:科學出版社,2013:84-85.
[20] Qu T, Guo W, Shen L, et al. Experimental study of biomass pyrolysis based on three major components: Hemicellulose, cellulose and lignin[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(18): 10424-10433.
[21] 王樹榮,駱仲泱.生物質組分熱裂解[M]. 北京:科學出版社,2013:109-125.
[22] Peng Y, Wu S. Fast pyrolysis characteristics of sugarcane bagassehemicellulose[J]. Cellulose Chemistry and Technology, 2011, 45(9): 605-612.
[23] 孟曉曉,孫銳,袁皓,等. 不同熱解溫度下玉米秸稈中堿金屬K和Na的釋放及半焦賦存特性[J]. 化工學報,2017 (4):1600-1607. Meng Xiaoxiao, Sun Rui, Yuan Hao, et al. Effect of different pyrolysis temperature on alkali metal K and Na emission and existence in Semi-Char[J]. CIESC Journal, 2017(4): 1600-1607. (in Chinese with English abstract)
[24] 胡輝,鄒妍暉,張海旭,等. 鈣基吸附劑捕集生物質燃氣中的二氧化碳[J]. 環(huán)境工程學報,2013,7(2):663-667. Hu Hui, Zou Yanhui, Zhang Haixu, et al. Capturing carbon dioxide in biomass gas by calcium-based sorbents[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2013, 7(2): 663-667. (in Chinese with English abstract)
[25] 賈永斌,黃戒介,程中虎,等. 煤快速熱解過程中氧化鈣對焦油裂解的影響[J]. 煤炭轉化,2001(2):53-57. Jia Yongbin, Huang Jiejie, Cheng Zhonghu, et al. Effect of caO on tar cracking in a rapid-pyrolysis fixed bed reactor[J]. Coal Conversion, 2001(2): 53-57. (in Chinese with English abstract)
Effects of mineral additives on catalytic pyrolysis characteristics of corn stalk powder
Pang Yunji1,2, Li Tengfei1, Chen Yisheng1※, Xu Jia1, Lu Chunxiao1, Shen Shengqiang2
(1.014010,2.116023,)
Based on self-made biological tube furnace pyrolysis experiment platform, using 20 pyrolysis purpose corn stalk powder as raw materials and selecting Na2CO3, CaO, Fe2O3as additives. Then, the additive was mixed with maize straw powder in 10% proportion by high speed rotating in situ blending method. At the same time, respectively to set the heating rate and final pyrolysis temperature as 40 ℃/min and 750 ℃, Pyrolytic raw material mixture to place inside the self-made pyrolysis reactor, reactor by means of frosted sealing (sealing way of sealing has verified), before the reactor sealed by high purity nitrogen gas bubbled into the inside of the reactor, the pyrolysis reactor residual air exchange, to ensure that the reactor of the pyrolysis is without oxygen or lean oxygen environment. In this condition, to study the effects of different additives on the in-situ catalytic pyrolysis of corn stalk powder. By analyzing the corn stalk powder production rate under the effect of different additives of pyrolysis products change curve, at the same time, to research and analysis the composition of pyrolysis gas, microstructure of coke and its element distribution form and the change in functional groups in pyrolytic liquid phase products through gas chromatograph, scanning electron microscope, energy spectrometer and Fourier infrared spectrum analyzer and other instruments and equipment. Finally, X-ray diffraction was used to detect the existence forms of various additives in coke after pyrolysis, then, according to the results of testing and combining with the yield of pyrolysis products and product changes, speculate that the additives in the process of pyrolysis. The following conclusions are drawn: Adding Na2CO3and CaO of corn stalk powder in the pyrolysis process of the liquid yield is far lower than no additives, and the liquid yield reach the maximum at 650 ℃, is 36.39% and 37.88% respectively. Na2CO3and CaO as the additives in the process of biomass pyrolysis of biomass tar have obvious inhibitory effect. In maize straw powder thermal cracking process, three kinds of additives on liquid oid produced have different inhibition, Na2CO3above CaO 1.5 times, 20 times that of Fe2O3. Na2CO3has the highest pyrolysis gas production rate in the three additives, up to 31.72%, and the thermal gas quality of CaO is the best and the low heat value of its pyrolysis gas is the highest, reaching 11.38 MJ/m3. In the process of corn stalk powder pyrolysis, Na2CO3to promote biomass thermal cracking produces pyrolysis gas is given priority to, however, CaO to produce pyrolysis char is given priority to, and the pyrolysis product coke respectively have different forms and different degrees of coked reunion. In the low temperature pyrolysis stage, Fe2O3effect on the yield of pyrolysis products is relatively weak, but after 550 ℃ catalytic effect is remarkable.By studying three kinds of additives in the process of pyrolysis of corn stalk powder to the influence of the yield of pyrolysis products and distribution, for later biomass catalytic pyrolysis catalyst selection and use of the aspects such as industrial and mining enterprise waste provide valuable basic data theory and direction.
pyrolysis; biomass; catalyst; corn stalk powder; coking agglomeration
2018-02-17
2018-06-01
國家自然科學基金項目(21466029);內蒙古自然基金(2015MS0106)
龐赟佶,副教授,博士生,主要從事生物質能源利用研究。Email:pangyunji2008@163.com
陳義勝,教授,主要從事能源環(huán)境和鋼鐵冶金研究。Email:chenabc_518@163.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.028
X705
A
1002-6819(2018)-14-0221-06
龐赟佶,李騰飛,陳義勝,許 嘉,盧春曉,沈勝強. 礦物質添加劑對玉米秸稈粉末催化熱解特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2018,34(14):221-226. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.028 http://www.tcsae.org
Pang Yunji, Li Tengfei, Chen Yisheng, Xu Jia, Lu Chunxiao, Shen Shengqiang. Effects of mineral additives on catalytic pyrolysis characteristics of corn stalk powder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 221-226. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.028 http://www.tcsae.org