玉米秸秆低温热解制备炭燃料试验研究.doc

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玉米秸秆低温热解制备炭燃料试验研究

摘要：以玉米秸秆为原料，利用热重分析法对玉米秸秆的热解规律进行研究，考察热解温度对玉米秸秆生物质炭燃料的发热量、质量得率、能源得率、粒度分布和可磨性能的影响。结果表明，240℃时制备的生物质炭燃料达到NY/T1878—2010标准要求，空干基低位热值为18.08MJ/kg，质量得率为77.7%，能源得率为92.18%，中值粒径D50为1721.50nm，并具有较好的可磨性能和燃烧特性。

我国是秸秆产出大国，农作物秸秆的污染问题一直是困扰农业发展的瓶颈[1-2]。根据生物质转化途径，目前生物质能源化利用技术包括物理转化、生物转化和化学转化[3]。物理转化主要是通过物理压缩，将秸秆制备成生物质固体成型燃料[4-5]，这样虽然解决了秸秆的运输问题，但是对仓储条件依然要求较高；生物转化主要是厌氧消化制沼气和发酵生产乙醇[6-7]，受发酵季节影响较大；化学转化包括液化、气化、炭化等，是目前国内外研究的重点，但主要集中在生物质液化和气化方面的研究[8-9]，对于生物质炭化制备生物炭燃料的研究较少，且目前的热解炭化技术一般采用间歇工艺在中温（400~700℃）或高温（≥700℃）下进行，成本高、大多停留在实验室研究阶段[10-11]。

本研究利用自制的固定床连续低温炭化装置，采用玉米秸秆为原料，利用低温炭化技术将废弃玉米秸秆转化为生物质炭燃料，炭化温度低，有效减少生产能耗，提高生物质炭燃料的产量，避免焦油的产生；所得生物质炭能量密度高，可作为燃料使用。研究热解温度对生物质炭燃料发热量、质量得率、能源得率、粒度分布和可磨性能的影响，可为生物质制备炭燃料工业装置的设计提供参数。

1材料与方法

1.1材料

玉米秸秆生物质棒（产自于新乡卫辉市，破碎至粒径1cm，含水率16%）；氮气（河南源正科技发展有限公司，体积分数99.999%）。

1.2试验方法

本研究的热解过程在自制的连续低温炭化装置中进行，由加料系统、固定床热解系统、尾气净化系统、燃气循环系统和出料系统组成，以氮气作载气，采用PLC系统实现了过程的自动控制和连续生产。玉米秸秆颗粒从热解炉顶部下降到底部，热气流从床层的底部上升至顶部，两股物料在垂直面以相反方向移动并形成持续性反应区域；炉内维持着温度梯度，秸秆颗粒从床层顶部移动降到底部过程中，首先失去水分被干燥，秸秆颗粒持续下降，逐渐通过温度更高区域，此时会有部分生物质发生热解反应，释放出CO、CO2及轻组分有机物等，热解完成在炉体底部得到所需生物质炭燃料；热解出的含有机物的气体经过除尘、冷凝、净化后，经回流加热器燃烧，大部分热气流进入热解炉作为热源，小部分排放。炭化装置示意见图1。

1.3分析方法及试验仪器

热重及燃烧特性分析采用（德国NETZSCH仪器公司STA449F3）同步热分析仪；热值测定采用量热仪（郑州恒亚仪器仪表有限公司，HY-A9）及电子天平（深圳市无限量衡器有限公司，MAX-A6002），依据文献[12]标准进行；粒度分布分析采用粒度和Zata电位分析仪（美国micrometics公司，NanoPlus-3）；可磨性能分析采用电子天平（深圳市无限量衡器有限公司，MAX-A6002型号）、臼式研磨仪（德国Retsch（莱驰）公司，RM200型号）和振荡筛（新乡卓美机械有限公司），称取样品，置于研磨仪内，在一定压力条件下研磨、筛分后称重计算；工业分析采用马弗炉（上海凯朗仪器设备厂，SX2-4-10）和干燥箱（吴江市闽鑫烘箱电炉制造有限公司，MX841-6），依据文献[13]标准进行；元素分析采用德国Elementar公司varioELIII型元素分析仪。

2结果及分析

2.1玉米秸秆热解过程

称取样品置于氧化铝坩埚中，设定升温速率为10℃/min，温度测试范围为30~700℃，在惰性气氛（氩气流）中进行热重实验，系统自动采样，由计算机绘出热重曲线（TG、DTG和DSC），如图2、图3所示。

从图中可以看出，玉米秸秆热解过程大致分为干燥、预热解、热解和炭化4个阶段[14-16]。干燥阶段（120℃）：生物质受热升温失去水分，TG曲线出现较小的下滑趋势，玉米秸秆减量占其总质量的7.88%，此阶段温度跨度和失重率与实验原料的含水率有关，含水率较低则温度跨度较小，失重率也较小。72.6℃附近DTG曲线出现一较小的失重峰，对应DSC曲线在该温度附近有一较小的吸热峰，之后DSC曲线一直较平缓。

预热解阶段（120~200℃）：TG曲线失重率在其间几乎成一直线，生物质质量减小缓慢，失重约占总质量的0.4%，该阶段生物质原料内部发生了少量解聚和一些重组，氢键断裂，同时释放出少量小分子化合物。

热解阶段（200~360℃）：该温度