福建農(nóng)業(yè)學(xué)報25(3):269~273,2010Fujian Journal of Agricultural Sciences文章編號:1008-0384(2010)03-269-05流化床快速熱解筍殼的研究廖益強12,黃彪,董健2,陸則堅2(1.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院,福建福州350002;2.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州350002)摘要:以筍殼為原料,石英砂為流化介質(zhì),在自行研制的流化床快速熱解裝置上進行熱解試驗,研究了熱解溫度、物料尺寸、進料速率、滯留時間和添加劑對筍殼熱解產(chǎn)物分布的影響。結(jié)果表明:加入添加劑KNO熱解效果較好,較佳工藝條件是熱解溫度500℃、物料尺寸1.0mm、進料速度50g·min、滯留時間0.8s、KNO3濃度0.4%,液體產(chǎn)率可達62.7%。關(guān)鍵詞:筍殼;快速熱解;流化床;產(chǎn)率中圖分類號:TK6文獻標(biāo)識碼:ARapid pyrolysis of bamboo shoot shell in fluidized bedLIAO Yi-qiang,, HUANG Biao, D(NG Jian, LU Ze-jian'(l. College of Material Engineering, Fujian Agriculture and Forestry Univeristy, FuzhoFujian 350002, China; 2. College of Food Science, Fujian Agriculture and ForestryUniveristy, Fuzhou, Fujian 350002, China)Abstract: Pyrolysis experiments on the bamboo shoot shell were carried out in a custom-designed fluidized bed. Thebed applied quartz sand as the fluidizing medium. The effects of temperature, material size, feeding rate, retentiontime and additives on biooil yield were studied. The results showed that the optimal pyrolyis conditions included0.4% addition of KNO,, temperature at 500C, material size of 1. 0 mm, feeding speed at 50 g/min and retentiontime of Is. Under such conditions, the bio-oil yield reached 62. 7%.Key words: bamboo shoot shell; rapid pyrolysis: fluidized bed; yield由于大量使用化石能源,地球表面出現(xiàn)嚴(yán)重的溫稻稈和木屑熱解制取生物油的研究,表明快速升溫室效應(yīng),與之伴隨的將是氣候的異常與自然災(zāi)害的頻能有效縮短顆粒在低溫階段的停留時間而抑制炭的繁發(fā)生,人類生存環(huán)境將受到嚴(yán)重威脅1-。竹筍殼生成,有助于生物油的生成。目前,有關(guān)竹筍殼熱是竹筍加工剩余物,是一種優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)6。目前解液化的研究尚未見報道。除了從筍殼中開發(fā)竹筍膳食纖維等產(chǎn)品的少量利用以筍殼為原料,在自行研制的流化床快速熱解外,大部分的筍殼沒有得到充分的利用-1。為了提裝置上進行熱解試驗制備熱解油,研究了熱解溫高筍殼利用率和附加值,解決筍加工產(chǎn)生的副產(chǎn)物帶度、物料尺寸、進料速率、滯留時間、不同添加劑來的污染環(huán)境問題,使其變廢為寶,故而對其進行有等因素對筍殼熱解產(chǎn)物分布的影響,并探索了效果效的開發(fā)利用有著重要的意義。較好的添加劑進行快速熱解的工藝條件。快速熱解是在高加熱速率、中溫和短停留時間的條件下,將生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)油的過1材料與方法程-1。研究表明,生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)設(shè)備、1.1試驗材料反應(yīng)條件(熱解溫度、升溫速率、壓力、氣相停留毛竹筍殼,以下簡稱筍殼,試驗前對筍殼進行時間)、生物質(zhì)種類及成分組成、含水率、物料尺了干燥、粉碎、篩分,對其進行理化分析,毛竹筍寸和形狀等因素對生物質(zhì)液化產(chǎn)物的產(chǎn)率分布都有殼的水分為6.70%,灰分2.65%,纖維素影響-21.王樹榮等21利用流化床反應(yīng)器開展了27.24%,半纖維素15.59%,木質(zhì)素18.60%。收稿日期:2010-04-25初稿:2010-05-18修改稿作者簡介:廖益強(1971-),男,博士研究生,副教授,主要從事農(nóng)林廢棄物綜合利用研究工作(E-mail;liaoyq4123@yahoo.com.cn)基金項目:福建省自然科學(xué)基金項目(2009J01230);十一五國家科技支撐計劃項目(2008BADA9B0501);福建省教育廳資助項目(JA09068270福建農(nóng)業(yè)學(xué)報第25卷1.2試驗裝置離產(chǎn)生的固體焦炭,經(jīng)過板式冷凝器冷凝后收集生自行研制的流化床快速熱解裝置由進料系統(tǒng)、成的液化產(chǎn)物,分離后的載氣通過吹吸兩用鼓風(fēng)機反應(yīng)器、加熱系統(tǒng)、分離器、冷凝器及管路組成循環(huán)使用。本裝置具有快速升溫、快速進料、快速采取螺旋加射流裝置進料,流化床中加入石英砂加冷卻等特點,工藝流程如圖1所示。強傳熱(流化速度0.492m·s-1),旋風(fēng)分離器分板式冷凝器箱集油箱預(yù)熱器871流化床快速熱解試驗工藝流Fig. 1 Flow diagram of experimental fuidized bed pyrolysis1.3試驗方法著溫度的升高,液體產(chǎn)率升高,當(dāng)溫度達到520℃選取熱解溫度(400℃、440℃、480℃、520℃和時,液體產(chǎn)率最高,為62.1%,此時固體和氣體560℃)、物料尺寸(0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8的產(chǎn)率都較低,溫度繼續(xù)升高后,液體的產(chǎn)率降mm和1.0mm)、進料速率(20g·min-1、30低,氣體產(chǎn)率開始明顯升高,固體產(chǎn)率略有降低,g·min、40gmin-1、50g·min-1和60gmin-1)、氣、液體產(chǎn)率受溫度的影響較固體產(chǎn)率更加顯著。因素進行單因素試驗,測定在不同的熱解工藝條件較高的液體產(chǎn)率,熱解的溫度應(yīng)在500℃的左滯留時間(0.6s、0.8s、1.0s、1.2s和1.4s)為影響考慮到提高熱解效率,使原料能在較低溫度下得下,對熱解產(chǎn)物(液體、氣體和固體)產(chǎn)率分布的2.2物料尺寸對筍殼熱解的影響影響,確定較佳的熱解工藝條件;選擇4種不同添當(dāng)物料尺寸小于1mm時(分別為0.2mm加劑KNO3、Na2HPO4、K2CO和Na2CO,分析0.4mm、0.6mm、0.8mm和1.0mm),控制進添加劑對熱解過程的影響料速率為50g·min-1,滯留時間為1s,溫度1.4產(chǎn)物產(chǎn)率測量500℃進行熱解試驗,結(jié)果見圖3。筍殼粒徑小于1焦炭產(chǎn)率v采用灰分平衡計算、氣體產(chǎn)率vmm時,3種熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的平均值分別為:液體采用N2平衡計算、液體產(chǎn)率n采用質(zhì)量守衡的方產(chǎn)率61.0%氣體26.3%和固體12.7%,不同筍法計算20。殼粒徑之間差別不大。2結(jié)果與分析2.3進料速率對筍殼熱解的影響控制在溫度500℃,物料尺寸小于1mm,滯2.1熱解溫度對筍殼熱解產(chǎn)物的影響留時間1s,選取20g·min-1、30g·min-1、40控制物料尺寸小于1mm,進料速率50g·min-1、50g·min-1、60g·min進料速率進min-,滯留時間為1s,在400℃、440℃、行熱解試驗,結(jié)果見圖4,在進料速率為50480℃、520℃和560℃進行熱解,結(jié)果見圖2。隨g·min-時,液體產(chǎn)率最大,為62.3%。喂料速第3期廖益強等:流化床快速熱解筍殼的研究27150一固體一液體40048050溫度(℃)進料速率(gmin1)圖2熱解溫度對筍殼熱裂解物產(chǎn)物分布的影響圖4進料速率對箏殼熱解產(chǎn)物分布的影響ig 2 Effect of temperature on pyrolysis of bamboo shoot Fig 4 Effect of feeding rate on pyrolysis of bamboo shoot揮發(fā)分滯留時間達0.8s時,液體產(chǎn)率高達62.2%,固體產(chǎn)率迅速下降為14.7%。隨著揮發(fā)分滯留時間延長,液體產(chǎn)率開始有所下降,而氣體一氣體產(chǎn)率有所增加。這是由于長滯留時間使得揮發(fā)分中固體大分子液體組分有更多的時間發(fā)生二次反應(yīng)裂解為小分子氣體。同時,滯留時間的延長,大分子d液體組分能進一步發(fā)生環(huán)化、縮合、脫氫芳構(gòu)化等利于產(chǎn)生固體焦炭的反應(yīng)2,但固體產(chǎn)率的增加不如氣體明顯。當(dāng)滯留時間較長時(1.4s),液體6的產(chǎn)率稍有下降。總體而言,短停留時間有利液體物料尺寸(m)產(chǎn)物的生成,停留時間越長越有利氣體生成。圖3物料尺寸對筍殼熱解產(chǎn)物分布的影響Fig 3 Effect of material size on pyrolysis of bamboo shoot◆液體shell率繼續(xù)增大時,液體率反而降低。這主要是由于喂一團體鍵30料速率增加導(dǎo)致原料吸熱不充分,從而導(dǎo)致原料熱解時溫度降低,熱解不充分21。2.4滯留時間對筍殼熱解的影響滯留時間是指熱解析出的揮發(fā)分在反應(yīng)器是所06滯留的時間,試驗中通過調(diào)節(jié)載氣(N2)流量來帚留時間(s)控制滯留時間,載氣的流量和滯留時間成反比,滯留時間也是影響生物質(zhì)快速熱解產(chǎn)物分布的重要參圖5滯留時間對筍殼熱解產(chǎn)物分布的影響數(shù)之一。控制好滯留時間,可以減少固體產(chǎn)率,產(chǎn)Hg5 Effect of retention time on pyrolysis of bamboo shoot生盡可能多的液體?？刂圃跍囟?00℃,物料尺寸shell小于1mm,進料速率50g·min,選取0.65、2.5不同添加劑對筍殼熱解油產(chǎn)率的影響0.8s、1.0s、1.2s、1.4s不同的滯留時間進行快速熱解試驗,結(jié)果見圖5。揮發(fā)分滯留時間太短加入添加劑可以使筍殼在較低的溫度下開始熱解,并且得到較高的液體產(chǎn)率。在筍殼中加入不同(0.6s),筍殼生物質(zhì)還達不到充分熱解,所以液體產(chǎn)率只有50.4%,而固體產(chǎn)率高達30.0%。當(dāng)?shù)奶砑觿?KNO3、Na2HPO4、K2CO3、NaCO3)福建農(nóng)業(yè)學(xué)報第25卷的情況下,控制物料尺寸小于1mm,進料速率為50g·min4,滯留時間為0.8s,選取熱解溫度60320℃、360℃、400℃、440℃、480℃和520℃進50行熱解試驗,結(jié)果見圖6。溫度逐漸升高時,液體的產(chǎn)率逐漸升高,達到最大值后,稍有降低。熱解一氣體溫度440℃,加入KNO3時,筍殼的熱解液體產(chǎn)率20可達61.5%?？梢?加入添加劑KNO2可在較低的溫度下得到較高的液體產(chǎn)率(無添加劑時520℃0的熱解溫度,液體產(chǎn)率才可以達到60%左右),熱0.6解溫度比無添加劑時低將近100℃。加入KNO3的濃度(%)筍殼在480℃的液體產(chǎn)率最高,為62.6%;加入圖7不同添加劑濃度對筍殼熱解油產(chǎn)率的影響K2CO3的筍殼在520℃時的液體產(chǎn)率最高,為Fig 7 Effect of additive concentrations on bio-oll yield53.7%;加入Na2CO2的筍殼在520℃的液體產(chǎn)率最高,為57.3%。所以4種添加劑中,添加劑裝置上進行試驗制備熱解油。研究表明,溫度對熱KNO2的效果最好,能在較低的溫度下就使筍殼開解反應(yīng)的影響較大。反應(yīng)溫度是生物質(zhì)快速熱解的始熱解。主要影響因素,較低的溫度有利于固體焦炭的形成,而較高的溫度有利于液體和氣體產(chǎn)物的生成。生物質(zhì)熱解液體產(chǎn)率最高的溫度為中溫,溫度降低則快速熱解液體產(chǎn)率降低,固體產(chǎn)率增加;溫度過高,生物質(zhì)液化產(chǎn)物就會氣化,液體分子在氣相時再次斷裂成不可凝燃氣分子,又加深了原料分子的充分斷裂,使斷裂部位增多,產(chǎn)生更多的液體和不- KNO一Na2lHP04可凝氣體分子,液體的產(chǎn)率降低-0。在不同的粒徑條件(均<1mm)下,液體產(chǎn)率差異不大,因而認為熱解過程中粒徑(<1mm)對液體產(chǎn)率440無顯著影響,這與 Oasmass等的研究結(jié)果一致(1溫度(℃)筍殼的液體產(chǎn)率隨著進料速率的增加總體呈上升趨圖6不同添加劑對筍殼熱解油產(chǎn)率的影響勢,但是當(dāng)進料速率高于50g·min時,液體產(chǎn)Fig 6 Effect of additives on biooil yield率開始下降。本試驗裝置在進行熱解試驗時進料速率應(yīng)選在40~50g·min-1之間。滯留時間太短,2.6不同添加劑濃度對筍殼熱解的影響筍殼生物質(zhì)反應(yīng)不充分,液體產(chǎn)率不高;隨著滯留添加劑可以提高筍殼生物質(zhì)的液化產(chǎn)物的產(chǎn)時間延長,液體產(chǎn)率先增加后減少。筍殼生物質(zhì)的率,但是對不同生物質(zhì)的影響不完全相同,與生物質(zhì)中各組分含量不同有關(guān)2。添加劑的液化效果進料速率對熱解產(chǎn)物有影響,對于不同的設(shè)備,進也會受到原料中的組分含量的影響,因此添加劑的料速率的影響是不同的。進料速率增加,反應(yīng)管內(nèi)濃度也被列入一個考慮的因素,KNO以不同的濃熱載氣與流化介質(zhì)提供的熱量不變,導(dǎo)致升溫速率度加入到筍殼中,控制溫度為500℃,物料尺寸<降低,液體產(chǎn)率下降;進料速率增大,固體產(chǎn)率增1mm,進料速率50g·min,滯留時間08s進加,熱解氣中灰塵顆粒濃度變大,會導(dǎo)致炭粉分離行的熱解試驗,結(jié)果見圖7。KNO3濃度較低時液器和出氣管道堵塞?？偟膩碇v進料速率不能過快體產(chǎn)率呈上升趨勢,氣體產(chǎn)率呈下降趨勢;當(dāng)要結(jié)合滯留時間,找到合適的的進料速率,使原料KNO濃度達到0.4%后,液體產(chǎn)率開始下降,而在反應(yīng)器中充分熱解,以保證熱解反應(yīng)持續(xù)正常的氣體產(chǎn)率開始上升。固體產(chǎn)率一直呈略下降趨勢。進行。4種添加劑中,KNO可在較低的溫度下得添加劑濃度為0.4%時,液體產(chǎn)率可達62.7%到較高的液體產(chǎn)率。筍殼生物質(zhì)熱解液化比無添加3結(jié)論與討論劑時低100℃左右;主要原因是KNO3具有強氧化性,能在較短時間內(nèi)使物料局部溫度驟然升高,快以筍殼為原料,在自行研制的流化床快速熱解速發(fā)生裂解反應(yīng)3。第3期廖益強等:流化床快速熱解筍殼的研究73[19] JALE Y, CHRISTOPH K. 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