第33卷第6期武漢工程大學(xué)學(xué)報Vol 33 No 62011年06月. Wuhan Inst. TechJun. 201文章編號:1674-2869(2011)06-0020-03玉米秸稈微波熱解研究楊昌炎,吳禎禎,鄭冬潔,丁一剛,吳元欣(1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,綠色化工過程教育部重點實驗室,湖北武漢430074;2.黃岡師范學(xué)院化工學(xué)院,湖北黃岡438000)摘要:為了研究玉米秸稈形成可再生能源,通過熱解可轉(zhuǎn)化為液體燃料一生物油,利用微波加熱,考察了玉米秸稈熱解制備生物油的情況.結(jié)果表明:玉米秸稈的影響因素很多,包括徵波功率、熱解溫度、時間、加料量添加劑等;最優(yōu)工藝條件為:當(dāng)熱解溫度500℃、處理量0.3kg/kW、熱解時間15min堆密度大于0.40kgm3碳的添加量為秸稈的5%~10%時,生物油產(chǎn)率最大,達(dá)到56%關(guān)鍵詞:玉米秸稈;微波熱解;生物油中圖分類號:U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Adoi:10.3969/j.issn.1674-2869.2011.06.004引言等優(yōu)點,其設(shè)備體積小,是一門新興的熱解技術(shù)微波熱解是通過微波場下物質(zhì)吸收微波而產(chǎn)熱的秸稈是一種貯量巨大的、可再生的能源資源;原理,將物質(zhì)熱分解形成生物油液體產(chǎn)品和其它我國秸稈資源豐富,每年秸稈廢棄物有7億噸口.燃?xì)?、焦炭產(chǎn)品.影響微波熱解的因素有很多,如湖北是我國重要的商品糧、油、棉生產(chǎn)基地,農(nóng)業(yè)微波功率、物質(zhì)量、堆體積、吸波性能以及吸波助發(fā)達(dá),蘊(yùn)藏的生物質(zhì)資源非常豐富,秸稈年產(chǎn)量近劑等3,然而關(guān)于這些方面研究還未見系統(tǒng)報1千萬噸[2.然而這些資源往往被棄置于自然環(huán)境道.本研究旨在以玉米秸稈為對象,系統(tǒng)考察上述或就地焚燒,造成巨大的資源浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境因素對玉米秸稈熱解形成生物油的影響,分析比污染較添加劑對生物油產(chǎn)品的影響,為生物質(zhì)微波熱隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境惡化問題的解的深入開展和應(yīng)用提供指導(dǎo)日益加重,開發(fā)潔凈的可再生能源已經(jīng)成為21世紀(jì)全球共同面臨的緊迫任務(wù)快速熱解作為一項1實驗部分熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù),能將秸稈等生物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化為1.1實驗原料產(chǎn)率達(dá)70%、具有替代石油潛力的液體燃料一生玉米秸稈顆粒(直徑為6mm,長為10mm)來物油和化學(xué)品而受到世界廣泛關(guān)注3.微波熱解源于湖北省黃岡市.玉米秸稈的化學(xué)組成和元素具有加熱速率快、不需要載氣、不受顆粒尺寸限制組成(濕基),如表1所示表1玉米秸稈的化學(xué)組成及元素組成Table 1 Chemical compositions of corn straw名稱含水質(zhì)量化學(xué)質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成/%元素組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%分?jǐn)?shù)/%纖維素半纖維素木質(zhì)素其他CH數(shù)值5.040.227,317.515.040.15,552.81.50.11,2工藝流程及裝置的磨口石英瓶;冷凝系統(tǒng)由三級串聯(lián)冷凝管組成,玉米秸稈熱解工藝,由微波熱解爐、石英反應(yīng)采用乙醇水冷卻介質(zhì)冷卻器、三級串聯(lián)冷凝器、生物油的收集器和放空等組稱取一定質(zhì)量[(300±1)g]的玉米秸稈顆粒成,如圖1所示.微波熱解爐(型號MCR-3,功率置人石英反應(yīng)器中,連接好各管線;開啟冷卻循環(huán)1.5kW、射頻2450MHz)購于河南鞏義市予華儀系統(tǒng),設(shè)定冷凝溫度為0~10℃;反應(yīng)前通入氮器有限責(zé)任公司;石英反應(yīng)器為體積為1000mL氣,排除反應(yīng)體系中的氧氣,設(shè)定微波功率,開啟收稿日期:2011-04-09基金項目:湖北自科基金項目(No.2007ABA253);湖北省優(yōu)秀中青年項目(No.Q200715004)作者簡介;楊昌炎(1969-),男,湖北鄂州人,教授,博士,碩士研究生導(dǎo)師.研究方向:能源化工及反應(yīng)分離技術(shù)第6期楊昌炎,等:玉米秸稈微波熱解研究微波熱解爐,待管內(nèi)基本無熱解氣逸出時,停止加60%~70%;當(dāng)進(jìn)一步增加輸入功率時,溫度開始逐熱,立即取出石英反應(yīng)器,采用熱電偶測定瓶內(nèi)物步上升,滿功率輸入時熱解溫度達(dá)到535℃.料溫度;當(dāng)石英反應(yīng)器冷卻至室溫,稱重.熱解蒸2.1.2熱解產(chǎn)品產(chǎn)率常壓下壓吸波劑添加汽經(jīng)過冷凝形成的生物油,通過收集瓶收集;附著下,熱解時間為30min時,玉米秸稈(300±1)g熱在冷凝管內(nèi)壁的生物油,采用乙醇洗滌,再用旋轉(zhuǎn)解時其熱解產(chǎn)品產(chǎn)率受輸入功率水平大小的影蒸發(fā)器脫去乙醇后,冷卻至室溫,與收集瓶中的生響,如圖3所示物油合并,稱重圖1微波熱解工藝流程輸入功率占總功率的百分?jǐn)?shù)%Fig 1 Process of microwave pyrolysis圖3微波輸入水平對玉米秸稈熱解產(chǎn)品產(chǎn)率的影響注:1.石英反應(yīng)器;2.微波熱解爐;3.冷凝管;Fig 3 Effect of different power levels on product4冷凝管;5.收集瓶;6冷凝管;7.放空yields of corn straw pyrolysis1.3計算方法由圖3可知,隨著微波輸入功率的增加,生物生物油產(chǎn)率(溫基)為所收集的生物油占玉米油產(chǎn)率逐漸上升,當(dāng)輸入功率達(dá)到總功率的40%秸稈總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù);焦炭產(chǎn)率為石器、英反應(yīng)器時,生物油產(chǎn)率基本穩(wěn)定,質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)47%;不凝內(nèi)殘余質(zhì)量占玉米秸稈顆?？傎|(zhì)量的百分?jǐn)?shù);不氣產(chǎn)率與生物油產(chǎn)率受輸入功率的影響,有相似凝氣產(chǎn)率為秸稈總質(zhì)量百分?jǐn)?shù)扣除生物油產(chǎn)率和的變化趨勢,其值基本穩(wěn)定在質(zhì)量分?jǐn)?shù)33%.焦炭焦炭產(chǎn)率所余下的百分?jǐn)?shù)產(chǎn)率則不同,隨著微波輸入功率的增加而逐漸降2結(jié)果與討論低,至輸入總功率為100%時的質(zhì)量分?jǐn)?shù)22%焦炭產(chǎn)率2.1微波功率的影響2.1.3微波功率與加料量的關(guān)系利用微波2.1.1熱解溫度微波熱解的過程溫度主要依熱解時,熱解轉(zhuǎn)化率與微波功率、物料量密切相賴于微波功率由圖2可知,微波總功率(1.5kW)關(guān)圖4顯示出了微波輸入功率水平為70%、對應(yīng)以10%逐級遞增時,恒定質(zhì)量[(300±1)g]的玉米的功率為1024W時,物料量與熱解產(chǎn)品產(chǎn)率的秸稈物料的熱解終溫變化情況.對于玉米秸稈物料變化關(guān)系.由此可知,隨玉米秸稈量增加,熱解液而言,隨著微波功率的逐級上升,熱解終溫逐漸上體逐漸增加,氣體產(chǎn)量逐步降低;固體產(chǎn)率基本不升;當(dāng)微波功率達(dá)到總功率的40%時,熱解溫度接變,而后呈增長趨勢.物料量達(dá)到250g時,液體產(chǎn)近480℃,然后隨著輸入功率的增加,溫度上升較緩率接近48%,物料為300g時液體產(chǎn)率達(dá)49%最(出現(xiàn)平臺期),達(dá)到總功率的70%時溫度上升至大,再隨物料量增加,液體產(chǎn)率有所下,固體產(chǎn)率500℃,該平臺期的最佳輸入功率為總功率的降低,表明物料越多,微波輸入能量不足以滿足熱輸入功率1024W300總功率:1.5kW100輸入功率占總功率的百分?jǐn)?shù)%玉米秸質(zhì)量/g圖2不同微波功率對溫度的影響圖4玉米秸稈物料量對熱解產(chǎn)品產(chǎn)率的影響ig 2 Effect of different power level onFig. 4 Effect of sample weight on productpyrolysis temperatureyield of corn straw pyrolysis武漢工程大學(xué)學(xué)報第33卷解所需能量,導(dǎo)致熱解轉(zhuǎn)化率下降.因此,最佳的物料加料量與微波輸入功率比為0.3kg/kW.2.2熱解時間的影響物料微波熱解時,熱解產(chǎn)品的逸出與時間密切相關(guān)圖5顯示出了微波輸入功率為1024W、物料··4量為300g時,微波加熱時間對熱解產(chǎn)品分布的影響玉米秸稈吸波產(chǎn)熱,開始時出現(xiàn)水分蒸發(fā)現(xiàn)象;約至3min時熱解發(fā)生,隨微波加熱時間的延長,玉0.350.40450.500.55堆密度(kg/m3米熱解液體產(chǎn)率逐漸增加,氣體產(chǎn)率逐漸升高,熱解圖6不同玉米秸稈的堆密度對熱解產(chǎn)率的影響殘余逐漸降低;當(dāng)加熱時間至15min時,熱解轉(zhuǎn)化Fig 6 Effect of packing density on product達(dá)到最大,氣、液、固產(chǎn)率分別為27%、24%、49%;yields of corn straw pyrolysis延長加熱時間,熱解產(chǎn)品產(chǎn)率基本維持不變.因此,確定微波加熱時間為15mn為宜25碳的添加量占玉米秸稈的百分含量圖7磯添加量對玉米秸稈熱解產(chǎn)品分布的影響5101520253035ig. 7 Effect of carbon on pro圖5微波加熱時間對玉米秸稈熱解產(chǎn)品分布的影響of corn straw pyrolysisEffect of pyrolysis tim由圖7可知,隨著碳的添加,生物油和熱解氣產(chǎn)yield of corn straw pyrolysis率也隨之增加,焦炭產(chǎn)率下降;當(dāng)添加量達(dá)到10%時,2.3顆粒粒徑的影響繼續(xù)增加碳的添加量,對熱解氣、液、固體產(chǎn)品產(chǎn)率分顆粒尺寸直接影響玉米秸稈熱解產(chǎn)品的產(chǎn)率顆布基本無影響,生物油、熱解氣和焦炭產(chǎn)率分別為粒尺寸大小不同,其堆密度不同影響著熱解產(chǎn)品分39.1%29.0%和31.9%這表明,碳的添加有助于吸布.圖6顯示出了微波輸入功率1024W熱解終溫波,從而提高升溫速率促進(jìn)液體產(chǎn)品的產(chǎn)出;過量碳500℃、熱解時間30mn、玉米秸稈為100g時,玉米會使熱解蒸汽進(jìn)一步分解形成小分子氣體,而液體產(chǎn)秸稈的不同堆密度對其熱解產(chǎn)品產(chǎn)率的影響由此可率降低因此,碳的用量以不超過5%~10%為宜除知,堆密度小于0.4kg/m3時,液體產(chǎn)率隨密度的降碳之外,其它無機(jī)物如無機(jī)鹽、一些氧化物等均能促低而下降;顆粒尺寸大于0.4kg/m3后,氣液固產(chǎn)率進(jìn)玉米秸稈生物質(zhì)的吸波能力,對其熱解產(chǎn)品分布、均趨于一個穩(wěn)定值.玉米秸稈越細(xì)越松散,越有利于液體產(chǎn)品分布有著明顯積極作用,詳見后續(xù)報道產(chǎn)氣,不利于而液體產(chǎn)出,可能的原因是松散的固體綜合上述,影響因素最佳熱解條件為處理量顆粒導(dǎo)致熱解氣二次分解形成低分子產(chǎn)物0.3kg/kW、熱解溫度500℃、熱解時間15min、2.4吸波劑的影響堆密度大于0.40kg/m3、碳的添加量為5%~通過微波加熱實現(xiàn)熱解,與物質(zhì)的吸波能力10%通過重復(fù)實驗表明,該條件下熱解液體、氣的大小有關(guān)生物質(zhì)的物料吸波的能力較弱,體、固體產(chǎn)率分別為56%、21%、23%通常需要添加一定量吸波劑.常用的吸波材料有碳化硅、炭等,碳是一種良好的吸波劑圖7顯示結(jié)語出了微波功率輸入水平為70%(約1024W)、熱a.微波作為玉米秸稈熱解一種加熱方式,通解溫度約500℃、秸稈量為100g、堆密度為過物質(zhì)吸波使得自身溫度升高,實現(xiàn)熱分解,具有0.40kg/m熱解時間15min條件下,碳的添加不受顆粒尺寸限制、不需要載氣等優(yōu)點,易于設(shè)計量對熱解產(chǎn)品產(chǎn)率的影響放大(下轉(zhuǎn)第46頁)46武漢工程大學(xué)學(xué)報第33卷Design and structural analysis of arch and beam hybrid system bridgeZHANG Jian-zhi SHI Ming -giang(1. China Railway Siyuan Survey And Design Group Co Ltd, Wuhan 430063, China;2. CCCC Second Highway Consultants Co. Ltd, Wuhan 430056, China)Abstract: In this paper, Mengshan mountain bridge, five large span arch and bea m hybrid systembridge and the design process were introduced in detail, and the research of modeling calculationanalyses of the bridge was done. The results show that external prestressing of the main arch of thesetting or the level of reaction force of the arch are significant reference for the design of si milarKey words: continuous girder bridge; arch bridge; arch and beam hybrid system bridge structuralanalysis本文編輯:張瑞(上接第22頁)b微波熱解的影響因素很多,主要有微波功(2):106-109率、熱解時間、吸波劑、物料量、堆密度等.玉米秸3] Czernik s, Bridgwater AV. Overview of application稈間歇微波熱解的最佳條件為:熱解溫度500℃、of biomass fast pyrolysis oil[J]. Energy &Fuels處理量0.3kg/kW、熱解時間15min、堆密度大于2004,18(2);590-598.0.40kg/m3碳的添加量為5%~109%,其熱解液41 Krieger-Brockett. icrowave pyrolysis of bima體、氣體、固體產(chǎn)品產(chǎn)率分別為56%、21%、23%[J]. Res Chem Intermed, 1994, 20(1):39-49[5]金欽漢,戴樹珊,黃卡瑪.微波化學(xué)[M].北京:科學(xué)參考文獻(xiàn):出版社,2001.[6]趙希強(qiáng),宋占龍,劉洪貞,等,農(nóng)作物秸稈微波熱解特[1]朱錫鋒.生物質(zhì)熱解原理與技術(shù)[M].合肥:中國科性試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(10):210214.學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2006[6]楊昌炎,楊學(xué)民,呂雪松,等.分級處理秸稈的熱解過[2]陳應(yīng)泉,汪翔陳漢平,等.武漢城市圈農(nóng)村生物質(zhì)資程[J].過程工程學(xué)報,2005,5(4):379-383.源特點及綜合利用建議[J].可再生能源,2009,27Study on microwave pyrolysis of corn strawYANG Chang-yan2, WU Zheng-zheng, ZHENG Dong-jie, DING Yi-gang, wU Yuan-xin'(1. Key Lab for Green Chemical Process of ministry of Education, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China;2. College of Chemical Engineering, Huanggang Normal University, Huanggang 438000, China)Abstract: As a renewable energy resource, corn stalks can be converted into liquid fuel by means ofpyrolysis. Microwave pyrolysis of corn stalks was investigated to produce bio-oil. The results showedthat microwave pyrolysis of corn straw wasnced by many factors such as microwave powertemperature, heating time, bulk density of biomass, and a ratio of material weight per kilowatt ofmicrowave power. The process was optimized that 500 C of pyrolysis temperature, a ratio of 0. 3 kg ofcorn straw per kilowatt of microwave power, 5 to 10 percent of carbon additive of the sample can makethe yield of bio-oil to reach 56%Key words: corn straw; microwave pyrolysis; bio-oil本文編輯:張瑞