生物質(zhì)熱解與生物油的特性研究

朱錫鋒，陸強，鄭冀魯，郭慶祥，朱清時

(中國科技大學生物質(zhì)潔凈能源實驗室，合肥230026)

　　摘要：用木屑、稻殼、玉米稈和棉花稈為原料進行了熱解液化試驗，生物油的產(chǎn)率分別為63%、53%、57%和56%，生物油的熱值均為17～18MJΠkg。生物油成分分析表明，生物油是一種復雜含氧有機化合物與水組成的混合物，包括了幾乎所有化學類別的有機物，如醚、酯、醛、酮、酚、醇和有機酸等。生物油粘溫特性研究表明，當溫度低于85℃時，生物油粘度隨著溫度升高而減小，符合液體粘溫通用關系式；當溫度高于85℃時，生物油粘度隨著溫度升高而上升，生物油中某些化合物開始產(chǎn)生聚合反應。

　　0前言

　　生物質(zhì)是一種與環(huán)境友好的可再生資源，在完全缺氧情況下快速受熱主要降解為一種稱為生物油的初級液體燃料，此外還有少量的焦炭和可燃氣體。影響生物質(zhì)熱解液化的主要工藝參數(shù)是加熱速率、反應溫度、氣相滯留時間和高溫有機蒸汽的淬冷。

　　生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油后，其能量密度得到大幅提高(如秸稈可提高約10倍)，故生物油的運輸和儲藏要比生物質(zhì)容易許多。生物油的用途非常廣泛：可以作為燃料油直接燃燒使用(燃燒時只需對現(xiàn)有熱力設備略加改造即可)；提質(zhì)后可單獨或與化石燃料混合用于內(nèi)燃機；生物油是復雜有機化合物的混合物，從中可以分離提取出具有特殊用途或高附加值的化學品。總之，生物質(zhì)熱解液化作為大規(guī)模轉(zhuǎn)化利用生物質(zhì)的一個重要技術(shù)手段已越來越為人們所重視。

　　本文采用自行研制的快速流化床生物質(zhì)熱解液化裝置對松木屑、稻殼、玉米稈和棉花稈4種物料進行了熱解液化試驗，生物油的產(chǎn)率分別為63%、53%、57%和56%，生物油的熱值均為17～18MJ/kg。生物油成分分析表明，生物油是復雜含氧有機化合物與水組成的混合物，幾乎包括了所有化學類別的有機物，如醚、酯、醛、酮、酚、醇和有機酸等。生物油粘溫特性研究表明，當溫度低于85℃時，生物油的粘度隨著溫度升高而減小，符合液體粘溫通用關系式；當溫度高于85℃時，生物油粘度隨著溫度升高而上升，生物油中某些化合物開始發(fā)生聚合反應。

　　1生物質(zhì)熱解液化

　　圖1所示為試驗所用的快速流化床式生物質(zhì)熱解液化裝置，粉碎后的生物質(zhì)顆粒由二級螺旋推進器送入流化床反應器的下部，由電加熱器預熱過的氮氣(550～600℃)經(jīng)布風板進入流化床反應器。生物質(zhì)熱解所需的熱量大部分由高溫氮氣帶入，少部分由纏繞在流化床反應器外壁的電加熱套供給。電加熱套的另一功用是防止熱解氣體由于溫度梯度效應在反應器內(nèi)壁發(fā)生冷凝。試驗前預先在反應器中加入一些砂子作為熱載體，一方面可以穩(wěn)定反應器內(nèi)的溫度，另一方面又可以增強生物質(zhì)熱解過程中的傳熱與傳質(zhì)。生物質(zhì)熱解高溫氣體經(jīng)氣固分離后進入冷凝器迅速冷凝而獲得生物油。

　　本文以松木屑、稻殼、玉米稈和棉花稈為原料分別進行了熱解液化試驗，表1為篩分后的生物質(zhì)顆粒直徑和工業(yè)分析結(jié)果，表2為試驗參數(shù)和試驗結(jié)果。結(jié)果表明，這4種生物質(zhì)原料熱解液化時的產(chǎn)油率分別為63%、53%、57%和56%，生物油的熱值均為17～18MJ/kg。

　　2生物油組成和理化特性

　　本文對生物油的組成和特性進行了研究，表3為源于不同生物質(zhì)的生物油元素組成和理化特性，表4為玉米稈生物油的主要化學成分及其含量，圖2為玉米稈生物油的GC-MS分析結(jié)果。研究表明，生物油是復雜含氧有機化合物與水組成的混合物，幾乎包括了所有化學類別的有機物，如醚、酯、醛、酮、酚、醇和有機酸等，且不同原料制取的生物油理化特性差異不大，易于地混合。

　　3生物油粘溫特性

　　生物油在常溫下會緩慢發(fā)生一系列的聚合反應而變性，在稍高溫度下反應速度將會加快?？紤]到粘度是流體分子微觀作用的宏觀表現(xiàn)，與很多物性參數(shù)相聯(lián)系。因此，研究生物油的粘溫特性對其生產(chǎn)、儲運和使用等均具有重要意義。

　　本文采用SYD—265D型運動粘度儀對玉米稈生物油在不同溫度下的運動粘度υ進行了測定，測定結(jié)果如表5所列。圖3所示為粘度υ與溫度T的變化關系作圖，從中可以發(fā)現(xiàn)：1)當溫度低于85℃時，生物油的粘度隨著溫度升高而減小，符合液體粘溫通用關系式，即：

　　4結(jié)論

　　1)松木屑、稻殼、玉米稈和棉花稈熱解液化時的產(chǎn)油率分別為63%、53%、57%和56%，生物油的熱值均為17～18MJ/kg。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油后的最大特點是其能量密度得到大幅提高，且用途也變得更加廣泛；

　　2)生物油是復雜含氧有機化合物與水組成的混合物，幾乎包括所有化學類別的有機物，如醚、酯、醛、酮、酚、醇和有機酸等，且不同原料制取的生物油理化特性差異不大，可以容易地混合在一起；

　　3)對玉米稈生物油進行的粘溫特性研究表明，當溫度低于85℃時，生物油的粘度隨著溫度升高而減小，符合液體粘溫通用關系式；當溫度高于85℃時，生物油粘度隨著溫度升高而上升，生物油中某些化合物開始產(chǎn)生聚合反應。