生物质热裂解炭-气-油联产规律及特性实验研究潘萌娇

1、河北工业大学工程流动与过程强化研究中心河北工业大学工程流动与过程强化研究中心 指导教师：陈文义指导教师：陈文义 报告人：潘萌娇报告人：潘萌娇生物质生物质是植物通过光合作用生成的有机物，包括植物、动物、微生是植物通过光合作用生成的有机物，包括植物、动物、微生物以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物质物以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物质生物质能生物质能是指储存在生物质内部的能量是指储存在生物质内部的能量 特点：特点：总量巨大、环境友好、可再生、兼容性好总量巨大、环境友好、可再生、兼容性好基金支持：基金支持：河北省科技支撑项目河北省科技支撑项目生物质热解炭化高效利用技术生物质热解炭化高效利用技

2、术生物质生物质热裂解热裂解是指生物质在是指生物质在无氧或缺氧条无氧或缺氧条下将生物质加下将生物质加热，利用热能热，利用热能切断生物质大切断生物质大分子的化学键，分子的化学键，使之转变为低使之转变为低分子液体生物分子液体生物油、可燃气体油、可燃气体和固体炭和固体炭3 3种种物物质的过程质的过程。图图1.生物质的利用形式生物质的利用形式表表1. 棉杆原料的元素分析、工业分析棉杆原料的元素分析、工业分析Table 1.Ultimate and proximate analysis of cotton stalkProximate analysis(wt.%)Elemental analysis(wt

3、.%)Q/(MJkg-1)MoistureAshVolatileFixed CCHOaNSH/CO/C15.41 7.058.7567.8216.3841.685.4450.951.93-1.570.92 a 差减法，差减法，O (wt.%) = 100-CHN-S. b Q(kJ/kg)=339*C+1256*H+109*S-109*O,其中其中C，H，O，S分别是原料中分别是原料中碳，氢，氧和硫元素的含量碳，氢，氧和硫元素的含量 (wt.%)FeedstocksUltimate analysis（wt.%）Proximate analysis（wt.%）Qb (MJkg-1)CHOaNH/

4、CO/CMAVFCCotinus coggygria47.055.8345.032.091.490.723.205.5376.6414.6318.36Mulberry48.016.2143.182.601.550.675.485.2776.5512.7019.37Wide jujube48.336.1642.752.761.530.665.005.1676.3013.5419.46Rhus typhina48.316.3942.462.841.590.663.104.2077.2115.4919.77表表2. 木材原料的元素分析、工业分析木材原料的元素分析、工业分析Table 2.Ultima

5、te and proximate analysis of wood feedstocks1 1、利用热重分析确、利用热重分析确定热解温度范围定热解温度范围3 3、热解终温及原、热解终温及原料特性对产物产量料特性对产物产量影响影响2、热解终温和加热、热解终温和加热速率对焦炭产量影速率对焦炭产量影响响4 4、热解产物焦炭和、热解产物焦炭和气体特性分析气体特性分析热重分析热重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或或TGA），是指在程序控），是指在程序控制温度下测量待测样品制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的质量与温度变化关系的一种的一种热分析技术热分析技术，用，用来

6、研究材料的热稳定性来研究材料的热稳定性和组份。热重分析所用和组份。热重分析所用的仪器是的仪器是热天平热天平。图图2.氮气气氛下热解终温氮气气氛下热解终温800时时0.18mmdp0.85mm的的棉杆棉杆在在10/min升温速率下的热重（升温速率下的热重（TG）和微分热重曲线）和微分热重曲线(DTG)Figure 2.The thermogravimetric (TG) and derivative thermogravimetric (DTG) curves of cotton stalk pyrolysed to the temperature of 800 with the particl

7、e size of 0.18mm to 0.85mm at a heating rate of 10/min under inert atmosphere图图3.不同加热速率下的热重不同加热速率下的热重TG和和DTG曲线曲线 （dp0.18mm, N2流率为流率为100ml/min ） Figure 3.TG and DTG curves of cotton stalk under different heating rates 氮气氮气转子流量计转子流量计热解炉热解炉石英管石英管冷凝管冷凝管螺旋玻璃管螺旋玻璃管冰水混合物冰水混合物集气袋集气袋型管型管集气瓶集气瓶调节阀调节阀温控仪温控仪热电偶

8、热电偶图图4.生物质热裂解实验装置简图生物质热裂解实验装置简图Figure 4.The equipment diagram of biomass pyrolysis experiment3004005006007000.300.320.340.360.380.40 Yield(%)Temperature() 10/min 20/min 30/min图图5.温度和加热速率对棉杆热解焦炭产量的影响（温度和加热速率对棉杆热解焦炭产量的影响（0.18mmdp0.85mm,N2流率为流率为100ml/min）Figure 5.Effect of temperature and heating rate

9、on the yields of the biochar obtained from pyrolysis of cotton stalk.焦炭产量都随着热解温度的升高而下降产炭率在30-40%之间加热速率影响不显著4004505005506006507001520253035404550 Yield(wt %)Temperature() Char Gas Oil图图6.温度对黄栌热解产物产量的影响温度对黄栌热解产物产量的影响(加热速率为加热速率为10/min，0.18mmdp0.85mm，N2流率为流率为100ml/min)Figure 6.Effect of temperature on t

10、he yields of the biochar obtained from pyrolysis of Cotinus coggygria焦油产率在500时达到最大值热解气产量随温度升高而增加焦炭产量随温度升高而下降051015202530354045505560 Yield(wt %)Feedstocks Char Gas OilCotinus coggygria 黄栌黄栌Mulberry 桑树 桑树 Wild jujube 酸枣树酸枣树Rhus typhina 火炬树火炬树图图7.不同原料在不同原料在550热解时的产物分布热解时的产物分布(加热速率为加热速率为10/min， 0.18mmd

11、p0.85mm， N2流率为流率为100ml/min)Figure 7.Product distribution obtained from pyrolysis of different feedstocks at 550火炬热解得最大产气量桑树热解得最大产炭率和产油率Pyrolysis temperature()300400550700Heating rate of 10min-1C(wt.%)62.6666.6667.1368.78H(wt.%)90.69N(wt.%)2.552.512.272.14Oa(wt.%)32.3328.6529.4128.39H/C0.6

12、10.390.210.12O/C0.390.320.330.31BET surface area(m2g-1)2.383.093.903.40Qb(MJkg-1)21.6922.2121.0521.09Heating rate of 20min-1C(wt.%)59.7768.9968.1669.10H(wt.%)2.672.211.070.60N(wt.%)2.142.062.041.93Oa(wt.%)35.4226.7428.7328.37H/C0.540.380.190.10O/C0.440.290.320.31BET surface area(m2g-1)3.834.697.032.

13、82Qb(MJkg-1)19.7523.2521.3221.09Heating rate of 30min-1C(wt.%)62.0264.9165.1967.57H(wt.%)2.841.970.900.51N(wt.%)2.152.051.981.82Oa(wt.%)32.9931.0731.9330.10H/C0.550.360.170.09O/C0.400.360.370.33BET surface area(m2g-1)0.043.774.000.12Qb(MJkg-1)21.0021.0919.7520.27表表3.棉杆所产焦炭的元素、比表面积和热值棉杆所产焦炭的元素、比表面积和热

14、值Table 3. Elemental analyses ,BET surface area and calorific value of cotton stalk biochars produced by cotton stalk.碳元素的含量随温度的升碳元素的含量随温度的升高而升高，高而升高，其他元素其他元素则则相相反反;H/C和和O/C的原子比的原子比随温随温度度逐渐下降逐渐下降;热值在热值在20MJ/kg左右，左右，最高达最高达23.25MJ/kg550时有最大的比表面积；时有最大的比表面积；Pyrolysis temperature()300400450500550600700Hea

15、ting rate of 10min-1Ash(wt.%)9.1714.8115.3815.7516.6716.9617.21Volatile(wt.%)30.2424.0522.8117.9416.7716.4015.17Fixed C(wt.%)60.5961.1461.8166.3166.6666.6467.62Heating rate of 20min-1Ash(wt.%)11.9415.7516.1817.0017.1417.1418.92Volatile(wt.%)31.5027.4626.0524.1123.4323.1816.39Fixed C(wt.%)56.5656.795

16、7.7758.9959.4359.6864.69Heating rate of 30min-1Ash(wt.%)12.1212.9013.4614.0015.3915.9616.13Volatile(wt.%)31.9625.2825.0023.2619.6718.9618.25Fixed C(wt.%)55.9261.8261.5462.7464.9465.0865.62表表4. 不同加热速率以及热解温度下所产焦炭的工业分析不同加热速率以及热解温度下所产焦炭的工业分析Table 4. Proximate analysis of cotton stalk biochars produced a

17、t different pyrolysis temperatures and heating rates.挥发分含量随着挥发分含量随着温度的升高而降温度的升高而降低，其他含量则低，其他含量则升高；升高；低加热速率导致低加热速率导致焦炭有较高固定焦炭有较高固定碳和较低挥发分碳和较低挥发分。热解温度对热解温度对FTIR曲线影曲线影响不显著响不显著脂肪族和芳香族化脂肪族和芳香族化合物占主导地位合物占主导地位图图8.原料以及原料以及10/min加热速率下不同温度热解的焦炭的加热速率下不同温度热解的焦炭的FTIR图图Figure 8.FTIR spectra of raw cotton stalk an

18、d its biochars obtained at different pyrolysis temperatures at a heating rate of 10min-1. a. 热解温度热解温度300，加热速率，加热速率10/min b. 热解温度热解温度550，加热速率，加热速率10/min c. 热解温度热解温度550，加热速率，加热速率30/min d. 热解温度热解温度700，加热速率，加热速率30/min图图9.焦炭焦炭SEM图图Figure9.The SEM photographs of chars400450500550600650700010203040506070 G

19、as composition (wt %)Temperature() CH4 CO2 C0 H2 图图 10.温度对黄栌热解气组分的影响温度对黄栌热解气组分的影响 Figure 10.Effect of pyrolysis temperature on the composition of pyrolysis gas obtained from Cotinus coggygriaH2和CH4含量随温度升高始终上升CO含量550达最大值29.18%CO2含量始终下降CH4C02C2H4C2H6C3H6C3H8COTemperature/400500550700Calorific value /MJm-312.5715.2616.8118.36 表表5.黄栌不同终温热解时气体的热值黄栌不同终温热解时气体的热值 Table 5.The calorific value of pyrolysis gas obtained f