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.武漢工程大學化工與制藥學院, 綠色化工過程教育部重點實驗室, 湖北 武漢 430074;2.黃岡師范學院化工學院,湖北 黃岡 438000)

0 引 言

秸稈是一種貯量巨大的、可再生的能源資源；我國秸稈資源豐富，每年秸稈廢棄物有7億噸[1].湖北是我國重要的商品糧、油、棉生產基地，農業發達，蘊藏的生物質資源非常豐富，秸稈年產量近1千萬噸[2].然而這些資源往往被棄置于自然環境或就地焚燒，造成巨大的資源浪費和嚴重的環境污染.

隨著化石能源的日益枯竭和環境惡化問題的日益加重，開發潔凈的可再生能源已經成為21世紀全球共同面臨的緊迫任務.快速熱解作為一項熱化學轉化技術，能將秸稈等生物質快速轉化為產率達70%、具有替代石油潛力的液體燃料—生物油和化學品而受到世界廣泛關注[3].微波熱解具有加熱速率快、不需要載氣、不受顆粒尺寸限制等優點，其設備體積小，是一門新興的熱解技術.微波熱解是通過微波場下物質吸收微波而產熱的原理，將物質熱分解形成生物油液體產品和其它燃氣、焦炭產品.影響微波熱解的因素有很多，如微波功率、物質量、堆體積、吸波性能以及吸波助劑等[4-5]，然而關于這些方面研究還未見系統報道.本研究旨在以玉米秸稈為對象，系統考察上述因素對玉米秸稈熱解形成生物油的影響，分析比較添加劑對生物油產品的影響，為生物質微波熱解的深入開展和應用提供指導.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

玉米秸稈顆粒(直徑為6 mm，長為10 mm)來源于湖北省黃岡市.玉米秸稈的化學組成和元素組成[6](濕基)，如表1所示.

表1 玉米秸稈的化學組成及元素組成

1.2 工藝流程及裝置

玉米秸稈熱解工藝，由微波熱解爐、石英反應器、三級串聯冷凝器、生物油的收集器和放空等組成，如圖1所示.微波熱解爐(型號MCR-3，功率1.5 kW、射頻2 450 MHz)購于河南鞏義市予華儀器有限責任公司；石英反應器為體積為1 000 mL的磨口石英瓶；冷凝系統由三級串聯冷凝管組成，采用乙醇水冷卻介質冷卻.

稱取一定質量[(300±1)g]的玉米秸稈顆粒置入石英反應器中，連接好各管線；開啟冷卻循環系統，設定冷凝溫度為0～10 ℃；反應前通入氮氣，排除反應體系中的氧氣，設定微波功率，開啟微波熱解爐，待管內基本無熱解氣逸出時，停止加熱，立即取出石英反應器，采用熱電偶測定瓶內物料溫度；當石英反應器冷卻至室溫，稱重.熱解蒸汽經過冷凝形成的生物油，通過收集瓶收集；附著在冷凝管內壁的生物油，采用乙醇洗滌，再用旋轉蒸發器脫去乙醇后，冷卻至室溫，與收集瓶中的生物油合并，稱重.

圖1 微波熱解工藝流程

1.3 計算方法

生物油產率(溫基)為所收集的生物油占玉米秸稈總質量的百分數；焦炭產率為石器、英反應器內殘余質量占玉米秸稈顆?？傎|量的百分數；不凝氣產率為秸稈總質量百分數扣除生物油產率和焦炭產率所余下的百分數.

2 結果與討論

2.1 微波功率的影響

圖2 不同微波功率對溫度的影響

2.1.1 熱解溫度 微波熱解的過程溫度主要依賴于微波功率.由圖2可知，微波總功率(1.5 kW)以10%逐級遞增時，恒定質量[(300 ±1) g]的玉米秸稈物料的熱解終溫變化情況.對于玉米秸稈物料而言，隨著微波功率的逐級上升，熱解終溫逐漸上升；當微波功率達到總功率的40%時，熱解溫度接近480 ℃,然后隨著輸入功率的增加，溫度上升較緩(出現平臺期),達到總功率的70%時溫度上升至500 ℃，該平臺期的最佳輸入功率為總功率的60%～70%；當進一步增加輸入功率時，溫度開始逐步上升，滿功率輸入時熱解溫度達到535 ℃.

2.1.2 熱解產品產率 常壓下壓吸波劑添加下，熱解時間為30 min時，玉米秸稈(300±1)g熱解時其熱解產品產率受輸入功率水平大小的影響，如圖3所示.

圖3 微波輸入水平對玉米秸稈熱解產品產率的影響

由圖3可知，隨著微波輸入功率的增加，生物油產率逐漸上升，當輸入功率達到總功率的40%時，生物油產率基本穩定，質量分數達47%；不凝氣產率與生物油產率受輸入功率的影響，有相似的變化趨勢，其值基本穩定在質量分數33%.焦炭產率則不同，隨著微波輸入功率的增加而逐漸降低，至輸入總功率為100%時的質量分數22%焦炭產率.

圖4 玉米秸稈物料量對熱解產品產率的影響

2.1.3 微波功率與加料量的關系 利用微波熱解時，熱解轉化率與微波功率、物料量密切相關.圖4顯示出了微波輸入功率水平為70%、對應的功率為1 024 W時，物料量與熱解產品產率的變化關系.由此可知，隨玉米秸稈量增加，熱解液體逐漸增加，氣體產量逐步降低；固體產率基本不變，而后呈增長趨勢.物料量達到250 g時，液體產率接近48%，物料為300 g時液體產率達49%最大，再隨物料量增加，液體產率有所下，固體產率降低，表明物料越多，微波輸入能量不足以滿足熱解所需能量，導致熱解轉化率下降.因此，最佳的物料加料量與微波輸入功率比為0.3 kg/kW.

2.2 熱解時間的影響

物料微波熱解時，熱解產品的逸出與時間密切相關.圖5顯示出了微波輸入功率為1 024 W、物料量為300 g時，微波加熱時間對熱解產品分布的影響.玉米秸稈吸波產熱，開始時出現水分蒸發現象；約至3 min時熱解發生，隨微波加熱時間的延長，玉米熱解液體產率逐漸增加，氣體產率逐漸升高，熱解殘余逐漸降低；當加熱時間至15 min時，熱解轉化達到最大，氣、液、固產率分別為27%、24%、49%；延長加熱時間，熱解產品產率基本維持不變.因此，確定微波加熱時間為15 min為宜.

圖5 微波加熱時間對玉米秸稈熱解產品分布的影響

2.3 顆粒粒徑的影響

顆粒尺寸直接影響玉米秸稈熱解產品的產率.顆粒尺寸大小不同，其堆密度不同，影響著熱解產品分布[3].圖6顯示出了微波輸入功率1 024 W、熱解終溫500 ℃、熱解時間30 min、玉米秸稈為100 g時，玉米秸稈的不同堆密度對其熱解產品產率的影響.由此可知，堆密度小于0.4 kg/m3時，液體產率隨密度的降低而下降；顆粒尺寸大于0.4 kg/m3后，氣液固產率均趨于一個穩定值.玉米秸稈越細越松散，越有利于產氣，不利于而液體產出，可能的原因是松散的固體顆粒導致熱解氣二次分解形成低分子產物.

圖6 不同玉米秸稈的堆密度對熱解產率的影響

2.4 吸波劑的影響

通過微波加熱實現熱解，與物質的吸波能力的大小有關.生物質的物料吸波的能力較弱[4-5]，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顯示出了微波功率輸入水平為70%(約1 024 W)、熱解溫度約500 ℃、秸稈量為100 g、堆密度為0.40 kg/m3、熱解時間15 min條件下，碳的添加量對熱解產品產率的影響.

圖7 碳添加量對玉米秸稈熱解產品分布的影響

由圖7可知，隨著碳的添加，生物油和熱解氣產率也隨之增加，焦炭產率下降；當添加量達到10%時，繼續增加碳的添加量，對熱解氣、液、固體產品產率分布基本無影響，生物油、熱解氣和焦炭產率分別為39.1%、29.0%和31.9%.這表明，碳的添加有助于吸波，從而提高升溫速率，促進液體產品的產出；過量碳會使熱解蒸汽進一步分解形成小分子氣體，而液體產率降低.因此，碳的用量以不超過5%～10%為宜.除碳之外，其它無機物如無機鹽、一些氧化物等均能促進玉米秸稈生物質的吸波能力，對其熱解產品分布、液體產品分布有著明顯積極作用，詳見后續報道.

綜合上述,影響因素最佳熱解條件為處理量0.3 kg/kW、熱解溫度500 ℃、熱解時間15 min、堆密度大于0.40 kg/m3、碳的添加量為5%～10%.通過重復實驗表明，該條件下熱解液體、氣體、固體產率分別為56%、21%、23%.

3 結 語

a.微波作為玉米秸稈熱解一種加熱方式，通過物質吸波使得自身溫度升高，實現熱分解，具有不受顆粒尺寸限制、不需要載氣等優點，易于設計放大.

b.微波熱解的影響因素很多，主要有微波功率、熱解時間、吸波劑、物料量、堆密度等.玉米秸稈間歇微波熱解的最佳條件為：熱解溫度500 ℃、處理量0.3 kg/kW、熱解時間15 min、堆密度大于0.40 kg/m3、碳的添加量為5%～10%，其熱解液體、氣體、固體產品產率分別為56%、21%、23%.

參考文獻：

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