第36卷第3化學(xué)工程Vol 36 No. 32008年3月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Mar.2008慢速熱解對(duì)生物質(zhì)粉體物性的影響張巍巍,陳雪莉,曾國勇,于遵宏(華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所,上海20037)摘要:慢速熱解方法可以有效地脫除生物質(zhì)中的氧元素提高生物質(zhì)的能量密度,從而提高生物質(zhì)氣流床氣化合成氣的熱值;并可以有效地改善生物質(zhì)的物性,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的輸送。使用直剪儀對(duì)不同粒徑的生物質(zhì)和不同熱解溫度的半焦進(jìn)行物性分析結(jié)果表明:熱解后半焦的休止角內(nèi)摩擦角和開放屈服強(qiáng)度都明顯降低;堆積密度比原料的堆積密度大;從電鏡圖片分析得出表面結(jié)構(gòu)的變化是物性發(fā)生變化的根本原因;400℃半焦的休止角為388°,堆積密度為2694kg/m3,開發(fā)屈服強(qiáng)度為26.8kPa并結(jié)合半焦氣化合成氣的熱值得出400℃半焦作為氣化原料比較合理。關(guān)鍵詞:內(nèi)摩擦角;壁摩擦角;休止角;慢速熱解;生物質(zhì);直剪儀中圖分類號(hào):TK6,TQ022.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10050954(2008)03000Influence of slow pyrolysis on physical properties of biomass powdersZHANG Wei-wei, CHEN Xue-li, ZENG Guo-yong, YU Zun-hongInstitute of Clean Coal Technology, East China University of Science &Technology, Shanghai 200237, China)Abstract Slow pyrolysis removes effectively oxygen from biomass and improves the energy density of biomass. So itincreases the heat value of biosyngas in biomass entrained-flow gasification. Meantime, it changes the physicalproperties of biomass powders. The physical properties of different particle-sized biomass and different pyrolysistemperature of semi-coke were analyzed by using direct shear cell. The results show that the angle of repose,theangle of intemal friction and unconfined yield strength of semi-coke decrease obviously; the bulk density of semi-coke is bigger than that of biomass; the essential reason of these variations is the change of surface structure fromSEM; the angle of repose, the bulk density and unconfined yield strength of semi-coke is 38.8, 269. 4 kg/'m and26.8 kPa, respectively. The semi-coke at 400 C is reasonable for biomass entrained-flow gasification as rawaterialKey words: angle of intermal friction; angle of static friction; angle of repose; slow pyrolysis; biomass; direct shear生物質(zhì)粉體輸送對(duì)生物質(zhì)氣流床氣化是一個(gè)影響。關(guān)鍵環(huán)節(jié)所以對(duì)生物質(zhì)粉體進(jìn)行研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于生物質(zhì)自身能量密度低內(nèi)氧含實(shí)驗(yàn)部分量高導(dǎo)致氣化合成氣的熱值偏低;同時(shí)由于生物質(zhì)1.1實(shí)驗(yàn)原料本身的堆積密度小休止角大且流動(dòng)性不好導(dǎo)致很稻稈(取自上海市寶山區(qū))經(jīng)過粉碎過篩后,取難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的輸送。慢速熱解方法不僅可有效20-40目,60-80目和120目的篩下物作為實(shí)驗(yàn)原地除去生物質(zhì)中的氧元素提高合成氣的熱值,而且料,并將其放置在105℃烘箱內(nèi)干燥3h后備用?？筛淖兩镔|(zhì)粉體本身的物性來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的輸1.2實(shí)驗(yàn)流程送,同時(shí)物性數(shù)據(jù)也可為料倉設(shè)計(jì)提供基本的理論熱解實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。生物質(zhì)原料放人特依據(jù)。本文主要考察了慢速熱解對(duì)生物質(zhì)粉體物性制的吊籃內(nèi),送到有電爐加熱的金屬反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行方面的影響,進(jìn)而考察慢速熱解對(duì)生物質(zhì)輸送的熱解。溫度由插入吊籃內(nèi)的熱電偶顯示。熱解后固作者簡介:張巍巍(1980—),女博士研究生,主要從事生物質(zhì)熱解氣化方面的研究,E-mil:nww2006@126.c。張巍巍等慢速熱解對(duì)生物質(zhì)粉體物性的影響61體產(chǎn)物半焦留在反應(yīng)器內(nèi),實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出稱量。成氣體洗瓶中裝有玻璃微珠和二氯甲烷或者二者產(chǎn)生的氣體由載氣帶出通過除塵除焦凈化后將其的混合物。前4個(gè)氣體洗瓶放人冰浴中,后2個(gè)氣收集進(jìn)行分析。焦油的收集主要由6個(gè)氣體洗瓶完體洗瓶放入丙酮和干冰的混合液中。溫控儀計(jì)算機(jī)氣相色譜質(zhì)量流量計(jì)氣體收集器冰浴丙酮干冰浴氮?dú)馄?熱解實(shí)驗(yàn)流程圖結(jié)果與討論lomb公式表示為-212.1休止角和堆積密度S=ptan中+F表1給出了原料和半焦的休止角和堆積密度。式中,S為抗剪強(qiáng)度kPa;p為正壓力kPa;φ為內(nèi)摩由表1可知因?yàn)榱叫〉奈锪项w粒間的間隙小,所擦角,(°);F為內(nèi)聚力kPa以生物質(zhì)粒徑越小,休止角越小,堆積密度越大,物試樣的抗剪強(qiáng)度為料之間的流動(dòng)性也相對(duì)較好,在生物質(zhì)輸送過程中S=KxR(2不易形成架橋。半焦的休止角和堆積密度的變化不式中,K為應(yīng)變?nèi)ο禂?shù)kPa/0.01mm;R為剪切時(shí)是一個(gè)單調(diào)的趨勢(shì),而是400℃半焦的休止角最小,應(yīng)變?nèi)χ袦y(cè)微表的初讀數(shù)與剪壞時(shí)的終讀數(shù)之差堆積密度最大。即相對(duì)于其他熱解溫度下的半焦表(應(yīng)變?nèi)ο禂?shù)K=1.818)。試樣的正壓力為現(xiàn)出更好的輸送性能mx9.8x12A x10表1生物質(zhì)與半焦的休止角和堆積密度式中,A為試樣面積30cm2;12為杠桿比單位;m為Table 1 Angle of repose and bulk density of砝碼質(zhì)量,kg圖2和圖3分別為生物質(zhì)和半焦的抗剪強(qiáng)度隨體積平休止角堆積密度正壓力的變化關(guān)系。從圖中得出tanφ,內(nèi)聚力F,均粒徑(°)/(kgm)內(nèi)摩擦角φ及相關(guān)系數(shù)R列于表2120目上40.0228.3稻稈6080目0.18-0.25mm49.313.62040目0.42-0.84mm62.2104.4300℃半焦403.49μm41.7201.6400℃半焦318.25μm38.8269.4500℃半焦3499μm43.32550℃半焦240.02.2內(nèi)摩擦角907510012515017520025內(nèi)摩擦角測(cè)量采用南京寧曦土壤儀器有限公司圖2不同粒徑生物質(zhì)的抗剪強(qiáng)度與SDJ型等應(yīng)變直剪儀。固體顆粒的抗剪強(qiáng)度可反正壓力之間的變化關(guān)系圖映固體顆粒和輸送壁面及顆粒之間的物性關(guān)系。內(nèi)Fig 2 Shear stress of biomass in different particle摩擦角與抗剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系可以用Mohr-Coudistribution as a function of normal stress化學(xué)工程2008年第36卷第3期壁摩擦角時(shí),下盒內(nèi)不是粉體而是鑲嵌的壁面材料210輸送壁面和顆粒之間的壁摩擦角也滿足上述Mohr180℃半焦半焦Coulomb公式,式中φ為壁摩擦角。★550℃半焦生物質(zhì)與熱解后半焦的壁摩擦角比較如圖4所示。璧面材料為不銹鋼,其中20℃對(duì)應(yīng)的是原料的壁摩擦角。從圖中可以看出隨著熱解溫度的提高壁摩擦角逐漸減少,但半焦的壁摩擦角都比原料的壁摩擦角大,這是由于熱解后半焦的靜電力明顯大于原料之間的靜電力,從而導(dǎo)致了熱解后半焦的壁圖3不同熱解溫度下半焦的抗剪強(qiáng)度與摩擦角比原料的壁摩擦角大。正壓力之間的變化關(guān)系圖Fig 3 Shear stress of semi-char in different pyrolysistemperatures as a function of normal stresa豪2生物質(zhì)及半焦的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力Table 2 Angle of internal friction and cohesive forces of01002003004005006002040目0.71406919035.540.999熱解溫度亡6080目0.737810.496736.440.9989>120目0.67538.288434.050.9997圖4原料與半焦的壁摩擦角的比較Fig 4 Comparison of angle of static friction300℃半焦0.72759116636.050.99between biomass and semi-chars400℃半焦0.66757.177533.740.9997500℃半焦0.60868.718831.340.9882.4原料與半焦的電鏡圖550℃半0.60047.165031.000.9999圖5為原料和半焦的電鏡圖片。從圖中可以看出,熱解之后,生物質(zhì)內(nèi)的纖維素半纖維素和木質(zhì)對(duì)于粉體物性來說內(nèi)聚力的大小并不是一個(gè)素得到不同程度的破壞從而C骨架受到破壞所十分重要的影響因素而內(nèi)摩擦角卻是一個(gè)非常重以失去了韌性,剪切容易破壞。且熱解溫度越高,半要的影響因素。從表2可以看出,對(duì)于3種粒徑的焦表面就表現(xiàn)出多孔性并出現(xiàn)不同程度的坍塌使生物質(zhì),內(nèi)摩擦角隨粒徑呈現(xiàn)正態(tài)分布,60-80目物料更趨于石墨化,所以半焦的壁摩擦角和內(nèi)摩擦稻稈的內(nèi)摩擦角最大。說明內(nèi)摩擦角不僅與物料表角隨著熱解溫度的升高而降低。面性質(zhì)有關(guān)而且與物料的粒徑堆積密度及形態(tài)也25粉體流動(dòng)性分析是相關(guān)的。按粉體的摩擦行為, Molurus把粉體分為3熱解溫度越高,內(nèi)摩擦角越小。這是因?yàn)闊峤忸悺Ｉ镔|(zhì)粉體應(yīng)該屬于 MolurusⅢ類粉體,溫度越高,熱能破壞了更多的分子間鍵,也破壞了分但生物質(zhì)經(jīng)過不同溫度熱解之后,生物質(zhì)內(nèi)部結(jié)子間的機(jī)械交合力。并且熱解過程實(shí)際上是生物質(zhì)構(gòu)受到不同程度的破壞,導(dǎo)致表面性質(zhì)發(fā)生變炭化的過程,降低了分子間的摩擦力;熱解使生物質(zhì)化,從而改善了生物質(zhì)粉體的物性及流動(dòng)性,使更接近有序性,從粒徑結(jié)果也可看出熱解溫度越半焦粉體更接近 MolurusⅡ類粉體。同時(shí),計(jì)算并高顆粒粒徑越小;顆粒的形狀從針狀接近球形,所比較了原料與半焦的開放屈服強(qiáng)度,結(jié)果如圖6以物料之間的粘附性減弱,進(jìn)而內(nèi)摩擦角逐漸降低。所示,20℃對(duì)應(yīng)的是60-80目稻稈所對(duì)應(yīng)的開2.3壁摩擦角放屈服強(qiáng)度。由圖可知,熱解后,開放屈服強(qiáng)度壁摩擦角是粉體與壁面之間的摩擦角“,它明顯降低,且400℃半焦的開放屈服強(qiáng)度最小的測(cè)量方法與內(nèi)摩擦角基本相同區(qū)別僅在于測(cè)量說明400℃半焦流動(dòng)性最好。張巍巍等慢速熱解對(duì)生物質(zhì)粉體物性的影響(a)60-80日稻b)300℃半焦(c)400℃字焦d500℃半焦400℃半焦作為氣化原料最合理。參考文獻(xiàn)[1 Pablo Juliano, Balasingam Muhunthan, Gustavo V.Flowfood powde[J. Joumal of Food Er[2]Manimehalai N, Viswanathan R. Physical properties of100200300400500600[門]E解溫度r℃(2):207-2l7[3] Fridrun Podczeck, Yasmin Miah. The influence of particle圖6熱解后開放屈服強(qiáng)度的變化size and shape on the angle of intemal friction and theFig 6 Variation of unconfined yield strength after pyrolyflow factor of unlubricated and lubricated powders[J]International Journal of Pharmaceutics, 1996, 144(2):3結(jié)論187-194.生物質(zhì)經(jīng)過慢速熱解后本身的物性發(fā)生相應(yīng)的[4] Kunio Shinohara, Akihiro oida, onis golman, Effect of改變,半焦的休止角、內(nèi)摩擦角和屈服強(qiáng)度明顯比原particle shape on angle of internal friction by triaxial com-料的小;并且堆積密度比原料的堆積密度明顯提高pression test[J ]. Powder Technology, 2000, 107(1)由電鏡圖片可以看出半焦表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)的變131-136.化這些結(jié)構(gòu)的變化是生物質(zhì)粉體在熱解后物性發(fā)[5]陶珍東,鄭少華粉體工程與設(shè)備[M北京:化學(xué)生改變的根本原因同時(shí)從各個(gè)方面綜合考慮,工業(yè)出版社,2003