玉米秸稈連續(xù)干餾條件下能量平衡分析

叢宏斌，趙立欣，姚宗路，孟海波，賈吉秀，李賢斌，王雅君

（農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125）

玉米秸稈連續(xù)干餾條件下能量平衡分析

叢宏斌，趙立欣※，姚宗路，孟海波，賈吉秀，李賢斌，王雅君

（農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125）

為分析外源加熱與分段連續(xù)干餾技術(shù)工藝條件下的生物質(zhì)熱解特性，以玉米秸稈為原料，通過自行開發(fā)的生物質(zhì)連續(xù)熱解炭氣油聯(lián)產(chǎn)平臺，開展了生物質(zhì)連續(xù)干餾試驗測試，分析了炭氣油三態(tài)產(chǎn)物的理化性質(zhì)、組分分布和受工藝參數(shù)影響的基本規(guī)律，并在此基礎上進行了系統(tǒng)熱量衡算和能量平衡分析。結(jié)果表明，連續(xù)熱解條件下，玉米秸稈炭品質(zhì)受物料在反應室的滯留時間影響大，滯留時間一般應不低于30 min，熱解氣熱值可達到15～20 MJ/m3，熱解油組分極其復雜；玉米秸稈炭攜帶熱量最多，約占產(chǎn)物總能量的 47.88%，熱解氣占產(chǎn)物總能量的 36.17%，木焦油和輕油分別占13.14%和1.74%；連續(xù)熱解系統(tǒng)能耗比為 0.97，能量回收率為75.7%。該研究可為外加熱分段連續(xù)式生物質(zhì)炭化設備的開發(fā)和推廣應用提供重要的基礎支撐。

秸稈；熱解；能量平衡；生物炭；連續(xù)干餾

叢宏斌，趙立欣，姚宗路，孟海波，賈吉秀，李賢斌，王雅君. 玉米秸稈連續(xù)干餾條件下能量平衡分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(7)：206－212.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.027 http://www.tcsae.org

Cong Hongbin, Zhao Lixin, Yao Zonglu, Meng Haibo, Jia Jixiu, Li Xianbin, Wang Yajun. Energy balance analysis of corn straw continuous distillation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 206－212. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.027 http://www.tcsae.org

0 引 言

生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)以現(xiàn)代生物質(zhì)干餾技術(shù)為核心，通過熱解氣的氣液分離和凈化提質(zhì)，生產(chǎn)生物炭、生物質(zhì)燃氣、木焦油和木醋液等多種產(chǎn)品。生物炭用于吸附材料、土壤改良劑、肥料緩釋載體和二氧化碳封存劑等，能夠解決農(nóng)業(yè)、環(huán)境和氣候等多個方面的問題；熱解氣是一種清潔燃料，木焦油和木醋液作為生物質(zhì)熱解副產(chǎn)品，可用作燃料或化工原料[1-3]。中國具有豐富的農(nóng)作物秸稈，據(jù)統(tǒng)計扣除還田、飼料等用途，每年約有近3億t被焚燒、廢棄，造成極大的浪費。秸稈熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是秸稈綜合利用的重要途徑之一，符合秸稈資源化、能源化綜合利用戰(zhàn)略需求，可進一步提高秸稈資源開發(fā)綜合效益，具有良好的推廣應用前景[4-8]。

連續(xù)式生物質(zhì)炭化技術(shù)具有生產(chǎn)連續(xù)性好、生產(chǎn)率高，過程控制方便、產(chǎn)品品質(zhì)相對穩(wěn)定等優(yōu)點，代表了生物質(zhì)炭化技術(shù)的發(fā)展方向和重點[9-13]。但在生物質(zhì)熱解特性等基礎理論研究方面，目前大多數(shù)聚焦在生物質(zhì)熱重分析和固定床生物質(zhì)熱解特性與工藝參數(shù)優(yōu)化方面，對于連續(xù)干餾技術(shù)條件下的熱解產(chǎn)物特性研究不足，尤其在基于系統(tǒng)熱量分析和能源平衡的技術(shù)評價方面，鮮見報道。

以農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院開發(fā)的生物質(zhì)連續(xù)熱解炭氣油聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為試驗平臺，開展玉米秸稈連續(xù)干餾試驗測試，旨在分析炭氣油三態(tài)產(chǎn)物的理化性質(zhì)、組分分布和工藝參數(shù)對其影響的基本規(guī)律。在此基礎上通過熱量分析和系統(tǒng)能量衡算，研究連續(xù)干餾技術(shù)條件下的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律和系統(tǒng)能源利用效率，以期為該技術(shù)工藝的研究與生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)提供必要的基礎支撐。

1 試驗設備與測試方法

1.1 試驗原料

試驗原料為當季玉米秸稈，采集自北京市大興區(qū)禮賢鎮(zhèn)，粉碎長度4～7 mm，堆積密度1 118 g/cm3，原料收到基全水分7.69%，揮發(fā)分82.44%，灰分3.85%，低位熱值16.82 MJ/kg，固定碳質(zhì)量分數(shù)6.03%。采用Vario EL III型元素分析儀，測試其主要元素含量如下：C元素質(zhì)量分數(shù)為44.92%、H元素質(zhì)量分數(shù)為5.77%、O元素質(zhì)量分數(shù)41.00%、N元素質(zhì)量分數(shù)為元素0.98%、S元素質(zhì)量分數(shù)0.21%、Cl元素質(zhì)量分數(shù)為1.30%（其他元素主要包括Ca、Mg、Na等金屬元素）。以上分析均在農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室完成。

1.2 連續(xù)式生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

連續(xù)式生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要包括連續(xù)熱解、生物炭冷卻、熱解氣二次裂解、氣液冷凝分離、密封進料和系統(tǒng)控制等功能單元，其組成如圖1a所示。連續(xù)熱解裝置是系統(tǒng)的核心，采用變距螺旋輸送物料，熱源由5段電加熱爐提供，分段溫度可單獨調(diào)節(jié)（分段最大加熱功率為3 kW，可變頻調(diào)節(jié)）；采用密封料倉、關風器和電動刀閥組合機構(gòu)，實現(xiàn)密封進料和均勻布料；生物炭冷卻采用間壁式循環(huán)水冷系統(tǒng)。熱解氣二次裂解裝置和冷凝分離裝置可串行工作也可并行工作，冷凝分離器前的熱解氣管道裝200～300 ℃電伴熱系統(tǒng)，防止部分氣體在管道中冷凝成油；熱解氣二次裂解裝置上限溫度為1 200 ℃，能夠完成催化裂解或高溫裂解試驗，氣液冷凝分離采用兩級間壁式水冷系統(tǒng)，冷凝溫度分別為 150～200和10～30 ℃，該系統(tǒng)通過三相分離器分離，最終得到木焦油、輕油和木醋液（含水）?？刂葡到y(tǒng)完成對炭化溫度、滯留時間、進料量等工藝參數(shù)的自動控制和對熱解氣流量、系統(tǒng)壓力的實時采集。系統(tǒng)采用微正壓設計，無引風裝置，熱解氣克服管道微氣阻后從系統(tǒng)中自然逸出，試驗平臺實物如圖1b所示。

圖1 生物質(zhì)連續(xù)干餾多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)Fig.1 Multi-production system of biomass continuous distillation

1.3 試驗條件與測試方法

連續(xù)熱解工藝中涉及的試驗因素包括分段熱解溫度、物料滯留時間和進料量等，物料升溫速率受以上因素共同影響，無法單獨控制。自進料端至出炭端 5段爐溫依次設置為550、600、600、600和550 ℃，反應器主螺旋轉(zhuǎn)速為2.0、1.5和1.0 r/min（對應物料在反應室滯留時間分別為24、36和48 min），相匹配的進料關風器轉(zhuǎn)速分別為2.8、2.1和1.4 r/min（玉米秸稈理論進料量分別為9.6、7.2和4.8 kg/h），為減小系統(tǒng)測試誤差，一次試驗時長設定為4.0 h。

從系統(tǒng)開始出炭的時刻開始計時，直至生物炭完全排出，計量一次試驗過程中的原料處理量與生物炭產(chǎn)物量。在熱解系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，每隔60 min對熱解氣采樣1次，共進行3次采樣，采用氣相色譜儀（浙江福立9790A）分析不可冷凝氣體組分，并依據(jù)氣體組分以及單一氣體熱值計算熱解氣熱值，試驗結(jié)果取3個試樣的平均值。

本研究涉及的相關測試指標，其內(nèi)涵及計算方法分述如下。生物炭得率指經(jīng)水分平衡計算后生物炭與原料的質(zhì)量比

式中 D為生物炭得率，%；Mchar為生物炭質(zhì)量，kg；H為生物炭含水率，%；Mmat為原料質(zhì)量，kg；J為原料含水率，%。

熱解產(chǎn)氣率指原料熱解所產(chǎn)生的燃氣量（標準體積或質(zhì)量）與原料質(zhì)量之比

式中Pgv為體積產(chǎn)氣率，Nm3/kg；Pgm為質(zhì)量產(chǎn)氣率，%；V為產(chǎn)生熱解氣標準體積，Nm3。

熱解油產(chǎn)率指原料熱解所產(chǎn)生的熱解油質(zhì)量與原料質(zhì)量之比

式中Ptar為熱解油產(chǎn)率，%；Mtar為熱解油產(chǎn)量，kg。

木醋液產(chǎn)率指原料熱解所產(chǎn)生的木醋液質(zhì)量與原料質(zhì)量之比

式中Pacid為木醋液產(chǎn)率，%；Macid為木醋液產(chǎn)量，kg。

2 連續(xù)熱解產(chǎn)物特性及分布

2.1 玉米秸稈炭特性

生物質(zhì)熱解過程大致可分為3個階段。1）干燥階段（＜150 ℃）：生物質(zhì)原料在反應器內(nèi)吸收熱量，水分蒸發(fā)逸出，生物質(zhì)內(nèi)部化學組成幾乎沒有變化；2）揮發(fā)熱解階段（150～300 ℃）：生物質(zhì)大分子化學鍵發(fā)生斷裂與重排，形成并釋放有機質(zhì)揮發(fā)分，這時少量揮發(fā)分的靜態(tài)滲透式擴散燃燒，可逐層為物料提供熱量支持分解。3）全面炭化階段（300～550 ℃）：物料發(fā)生劇烈的分解反應，產(chǎn)生焦油、乙酸等液體產(chǎn)物和甲烷、乙烯等可燃氣體，隨著大部分揮發(fā)分的不斷析出，得到主要由碳和灰分組成的生物炭。連續(xù)熱解條件下的物料滯留時間指物料歷經(jīng)以上3個過程的總時長，在此過程中，物料的升溫與移動同時進行，以上3個階段既相互獨立又彼此滲透，物料滯留時間是影響生物炭品質(zhì)和設備產(chǎn)能的核心要素。

不同滯留時間對應的玉米秸稈炭理化特性如圖 2所示。從圖2中可以看出，物料滯留時間為24 min時，揮發(fā)分和固定碳質(zhì)量分數(shù)分別為20.09%和55.63%，玉米秸稈炭中的揮發(fā)分含量高而固定碳含量偏低，說明此工藝條件下?lián)]發(fā)分析出不理想，玉米秸稈第2和第3階段的理化反應不充分。當物料滯留時間增加至36和48 min時，玉米秸稈炭中揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)分別降至12.17%和8.72%，而固定碳質(zhì)量分數(shù)分別增加至61.99%和64.70%。說明玉米秸稈的揮發(fā)熱解和全面炭化，需要一個過程，較短的物料滯留時間雖能大幅增加設備的生產(chǎn)能力，但對玉米秸稈炭品質(zhì)有影響。

圖2 連續(xù)干餾條件下的玉米秸稈炭特性Fig.2 Corn straw charcoal characteristics under continuous distillation

與內(nèi)源加熱式炭化技術(shù)相比，大致相同的熱解溫度和滯留時間下，玉米秸稈炭中的揮發(fā)分明顯偏高。外源加熱時揮發(fā)分析出較慢[14-15]，這可能與本試驗平臺采用微正壓設計，導致反應室的氣流環(huán)境、溫度場與內(nèi)加熱工藝條件相差較大有關。

2.2 熱解氣與熱解油特性

基于本試驗平臺，除分析熱解不可冷凝原始氣組分外，還對催化裂解后的氣體組分進行了初步研究。催化裂解溫度750 ℃，催化劑為白云石（粒徑3～5 mm），空速5 000～7 000。物料滯留時間為48 min時，氣體組分與含量如表 1所示，連續(xù)熱解條件下的熱解氣組分與其他熱解工藝相似，主要包括CO、H2、CH4、CO2和C2H6、C2H4、N2等。從氣體組分分布看，含量前4位的氣體依次是CO、CO2、CH4和H2，經(jīng)催化裂解后，熱解氣中CH4和H2含量分別增加5.2個百分點和2.0個百分點，說明經(jīng)催化裂解后，熱解氣中的部分大分子可冷凝氣體轉(zhuǎn)化為不可冷凝可燃氣體。

連續(xù)熱解工藝技術(shù)條件下，隨著生產(chǎn)系統(tǒng)的持續(xù)運行，反應室及管道內(nèi)空氣逐漸被排凈，加之系統(tǒng)采用了組合密封和微正壓設計，與氣化技術(shù)和內(nèi)加熱炭化技術(shù)相比，熱解氣中可燃氣組分的含量明顯較高[16-18]。另外，因含有一定量的乙烷、丙烷、乙烯和丙烯等大分子高熱值氣體，裂解前后熱解氣熱值分別達到 20.32和21.67 MJ/m3，因此，秸稈熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的熱解氣是一種高品質(zhì)的清潔能源，具有很好的利用價值。

表1 生物質(zhì)連續(xù)干餾熱解氣組分及熱值Table1 Pyrolysis gas composition and its calorific value under corn straw continuous distillation

可冷凝氣體冷凝后得到的液相產(chǎn)物分為三相，一是冷凝溫度為150～200 ℃時得到的重油（木焦油），另外兩相是常溫下（20 ℃左右）冷凝后經(jīng)三相分離器分離得到的輕油和木醋液，其中木焦油和輕油統(tǒng)稱為熱解油。剛冷凝分離出的木焦油為黏稠狀黑色液體，冷卻至室溫后將變?yōu)榻Y(jié)晶狀黑色固體；剛分離出的木醋液為橙黃色均質(zhì)半透明液體，放置數(shù)日后將出現(xiàn)少許灰色沉淀；輕油浮于木醋液的上層，常溫下為褐色液體，流動較好。

采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，分別對木焦油、輕油和木醋液組分進行了分析，各級產(chǎn)物GC-MS譜圖如圖3所示?？傮w而言，各相產(chǎn)物主要由有機酸類、酮類、酚類、醛類和稠環(huán)芳烴類物質(zhì)組成，多數(shù)有異味、有害甚至有毒，但基本均為重要的化工原料或化工合成的中間體[19-22]。木焦油組分最為復雜，其中小分子組分主要是苯酚類，大分子物質(zhì)為酰胺類和脂類，大分子中C原子個數(shù)超過20。輕油組分中主要以雜酚類物質(zhì)為主，另外有一些烯類和炔類物質(zhì)，C原子個數(shù)絕大多數(shù)在10以下，此類物質(zhì)是重要的化工合成中間體，也可用于煉制高品位液體燃料。木醋液中含有大量乙酸和雜環(huán)類化合物，具有消毒、殺菌、防蟲、防腐和除草等功能，是一種環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)植保產(chǎn)品，但木醋液中 90%以上的為水分。

2.3 炭氣油產(chǎn)率分析

連續(xù)熱解條件下，物料滯留時間為48 min時（后文無特殊說明時均為此試驗條件），經(jīng)測試玉米秸稈炭得率 30.7%，體積產(chǎn)氣率為 0.28 m3/kg，熱解氣密度1.24 kg/m3，質(zhì)量產(chǎn)氣率為 34.7%。由于后端熱解氣多級冷凝分離系統(tǒng)管道較長且容器中的產(chǎn)物徹底清理困難，本研究僅對液態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率進行了概算，木焦（重）油產(chǎn)率約為7.1%，輕油產(chǎn)率約1.3%，木醋液產(chǎn)率（含水）約為18.1%。

玉米秸稈炭得率與質(zhì)量產(chǎn)氣率隨物料滯留時間的變化規(guī)律如圖4所示。

隨著物料滯留時間的增加，玉米秸稈得率降低，熱解氣產(chǎn)率持續(xù)增加，增加幅度略高于玉米秸稈得率的降低幅度。說明滯留時間增加，高溫下氣相產(chǎn)物發(fā)生分解與重整反應，使可冷凝氣體產(chǎn)物形成小分子氣體，氣相產(chǎn)物的增長速率大于玉米秸稈炭的減小速率，理論上熱解油的產(chǎn)率會有所降低。連續(xù)熱解條件下，物料升溫速率無法作為獨立的控制因素，受加熱溫度和物料滯留時間的共同控制。因此，從產(chǎn)物產(chǎn)率單一要素的控制機制分析，連續(xù)熱解條件下應控制加熱溫度和物料滯留時間（主軸螺旋轉(zhuǎn)速）。

3 反應熱與能量平衡分析

3.1 熱解產(chǎn)物熱量與反應熱分析

玉米秸稈炭與熱解油的熱值通過氧彈熱量儀（FX-DM3200）直接測定，木醋液中的含水率達到90%以上，無法直接測試其熱值，根據(jù)氣質(zhì)聯(lián)用儀（QP2010 Plus）測試的樣品GC-MS譜圖估算。如表1所示原始熱解氣熱值為20.3 MJ/m3，另外，測得玉米秸稈炭熱值25.2 MJ/kg，木焦油與輕油熱值分別為31.1、29.3 MJ/kg。結(jié)合2.3中對各產(chǎn)物產(chǎn)率的分析，可知玉米秸稈炭所占熱量最多，約占總能量的 47.88%。其次是熱解氣，占產(chǎn)物能量的36.17%，再次分別為重油（木焦油）和輕油，分別占13.14% 和1.74%，而木醋液中的能量約占1.07%。

生物質(zhì)的熱解過程是一個先吸熱后放熱理化反應過程，一般而言，生物質(zhì)熱解過程的第 1階段為脫水升溫吸熱反應過程，第2和第3階段揮發(fā)分析出和熱解，主要為放熱反應過程。連續(xù)熱解反應熱是指為保障反應室溫度恒定，生物質(zhì)完成連續(xù)熱解反應所需要吸收的熱量，即確保反應室內(nèi)溫度恒定所需注入系統(tǒng)的熱量，可通過生物質(zhì)升溫和熱分解吸收的熱量與熱解反應所放出的熱量之差計算獲得[23-25]。但生物質(zhì)成分復雜，熱解過程中物料狀態(tài)不斷變化，不同類型物料、不同熱解狀態(tài)下熱物性參數(shù)難以測定，本研究通過測試與熱解試驗相同工況下的熱解反應器空載運行耗電量間接計算獲得，即連續(xù)熱解反應熱為熱解試驗過程中的能量消耗與反應器空載時的能量消耗（系統(tǒng)散熱）之差，經(jīng)測試單位質(zhì)量的玉米秸稈熱解需要的總熱量和反應熱分別為 2.1和1.3 MJ/kg[26-27]。

3.2 能量平衡分析

通過分析進出物料的焓差或熱力學能的改變，確定反應過程傳遞的熱量。對本研究能量平衡分析中的假設條件與相關計算方法說明如下：1）以處理1 kg玉米秸稈原料為例進行分析，玉米秸稈熱值為16.7 MJ/kg；2）對二次能源消耗的電能進行等價熱量換算，不計能量轉(zhuǎn)化效率；3）熱解產(chǎn)物熱量計算中三態(tài)產(chǎn)物所攜帶的能量由化學焓和顯熱組成，將各產(chǎn)物熱容值均看作常數(shù)；4）連續(xù)熱解反應熱采用3.1中提及的方法測量；5）忽略位差、功的傳遞。連續(xù)熱解系統(tǒng)運轉(zhuǎn)需要一定的動能，可通過耗電量進行換算，這部分能耗不參與能量平衡分析，但在后續(xù)技術(shù)評價時用到。

根據(jù)上文數(shù)據(jù)分析計算，玉米秸稈連續(xù)熱解條件下的系統(tǒng)能流圖如圖 5所示。從能量平衡角度分析，系統(tǒng)能量傳遞滿足式（6）對應的平衡方程

式中Qnet為生物質(zhì)原料的化學能，即低位發(fā)熱量，MJ；Qh為外部熱源提供的能量，MJ；Qout為系統(tǒng)能量輸出，MJ；Qp為三態(tài)產(chǎn)物的總化學能，MJ；Qd為系統(tǒng)散失的熱量，MJ；Qre為熱解反應熱，MJ。

圖5 連續(xù)干餾系統(tǒng)能流示意圖Fig.5 Energy flow diagram of continuous distillation system

以處理1 kg玉米秸稈為例，能量輸入部分原料能量Qnet和加熱能量Qh分別為16.7和2.1 MJ，能量輸出中的玉米秸稈炭、熱解氣和熱解油能量（Qs、Qg、Ql）分別為7.7、5.9和2.6 MJ，熱解反應熱為1.3 MJ，因此可知設備和產(chǎn)物總散熱為 1.4 MJ。另外，連續(xù)熱解條件下處理單位質(zhì)量的原料系統(tǒng)運轉(zhuǎn)動力耗能為2.6 MJ。

3.3 技術(shù)可行性評價

參照其他領域設備能耗評價方法和標準[28-31]，本研究采用能耗比和能量回收率 2個技術(shù)指標評價連續(xù)熱解技術(shù)設備能耗水平，其中能耗比是各類產(chǎn)物的總能量與原料能量的比值，能量回收率指各類產(chǎn)物的總能量與總能量輸入（包括動能對應的能量）的比值。計算公式分別如式（7）、式（8）所示。

式中ε為能耗比，η為能量回收率，%；Qin為系統(tǒng)總能量輸入，MJ。

代入能流圖中對應的測試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能耗比為0.97，能量回收率為75.7%。系統(tǒng)能耗比說明，從原料能量轉(zhuǎn)化的角度分析，表觀 97%的能量轉(zhuǎn)化到了產(chǎn)品中。能量回收率說明，從系統(tǒng)能量剩余角度看，投入總能量的75.7%可轉(zhuǎn)入到產(chǎn)品中。能流圖與連續(xù)熱解反應熱分析可知，通過部分燃氣或燃油的回用燃燒，熱煙氣作為系統(tǒng)外部熱源，可支撐系統(tǒng)熱解，因此，搭建秸稈連續(xù)熱解多聯(lián)產(chǎn)最小系統(tǒng)，能夠有效減少系統(tǒng)輸入性能源消耗，降低生產(chǎn)成本。另外，由于生物炭在農(nóng)業(yè)上應用廣泛，熱解氣是一種清潔燃料，可改善農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)，因此生物質(zhì)連續(xù)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)具有重要的應用價值，可作為農(nóng)作物秸稈資源化、能源化綜合開發(fā)利用的重要方向。

4 結(jié) 論

1）連續(xù)干餾工藝技術(shù)條件下，生物炭特性受物料滯留時間影響大，對于玉米秸稈而言，550～600 ℃的熱解溫度下，物料滯留時間需在30 min以上才能達到較優(yōu)的炭化效果，同時，熱解氣和熱解油產(chǎn)率也受物料滯留時間的影響較大。連續(xù)熱解條件下熱解氣熱值可達到20 MJ/m3左右，熱解油組分復雜，直接作為燃料使用時應考慮其中有毒、有害物質(zhì)的燃料特性，減少污染物排放。

2）玉米秸稈連續(xù)熱解過程中，玉米秸稈炭攜帶熱量最多，約占能量的47.88%，其次是熱解氣，占產(chǎn)物總能量的36.17%，再次分別為重油（木焦油）和輕油，分別占13.14%和1.74%，而木醋液中的能量約占1.07%。分析各產(chǎn)物組分，熱解三態(tài)產(chǎn)物均具有重要的應用價值。

3）測試結(jié)果表明，連續(xù)熱解系統(tǒng)能耗比為0.97，能量回收率為75.7%。即從原料能量轉(zhuǎn)化的角度分析，表觀97%的能量轉(zhuǎn)化到了產(chǎn)品中，從系統(tǒng)能量剩余角度看，投入總能量的75.7%可轉(zhuǎn)入到產(chǎn)品中。因此生物質(zhì)連續(xù)熱解多聯(lián)產(chǎn)具有技術(shù)可行性，是農(nóng)作物秸稈資源化、能源化綜合開發(fā)利用的重要方向。

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Energy balance analysis of corn straw continuous distillation

Cong Hongbin, Zhao Lixin※, Yao Zonglu, Meng Haibo, Jia Jixiu, Li Xianbin, Wang Yajun
(Center of Energy and Environmental Protection, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Key Laboratory of Energy Resource Utilization from Agriculture Residue, Ministry of Agriculture, Beijing 100125, China)

Biomass pyrolysis poly-generation technology employs modern biomass distillation technology as the core, and biochar is a kind of solid product generated by low temperature pyrolysis of biological organic material (biomass) in hypoxia or anaerobic environment. Biochar can be used as adsorbent, soil improver, slow release carrier of fertilizer and carbon dioxide sealing agent. It can solve many problems such as agriculture, environment and climate. Pyrolysis gas is a kind of clean fuel, and wood tar and wood vinegar as the byproduct of biomass pyrolysis, can be used as fuel or chemical raw material. In recent years, the biomass pyrolysis poly-generation technology had aroused widespread attention at home and abroad. Compared to batch processing, continuous biomass carbonization technology had many advantages, such as high productivity, good process control and consistent product quality, and therefore it had been the primary focus of applied research and deployment of biomass carbonization technology. However, there are still considerable gaps in knowledge when it comes to carbonization of different biomass, especially non-woody biomass, in continuous units, and to the product characteristics, and energy and mass balances. In order to analyze the pyrolysis characteristics of biomass under the process of exogenous heating and continuous distillation, the biomass continuous pyrolysis experiment was carried out with corn straw, and the influence of process parameters on physical and chemical properties, and composition distribution of the three-state products was tested and analyzed. The pre-processed corn straw was pyrolyzed in a pilot-scale continuous pyrolysis poly-generation unit at the Laboratory of Energy Resource Utilization from Agriculture Residue, Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China. The unit consists of a sealed feed system, an auger pyrolysis unit, biochar discharge screw with indirect water cooling, secondary cracking unit for pyrolysis vapours and gases, and multi-stage condensation separation system. The core of the poly-generation system was the electrically heated continuous pyrolysis unit with a variable pitch screw to convey material. Heating was provided by a five-segment electric furnace, with independent PID (proportion, integral, derivative) control for each segment. The pyrolysis unit was fed by a rotary feeder connected to a hopper by a system of airlocks to prevent ingress of air. On the basis of above researches, the system calorimetry and energy balance were analyzed. The results showed that the quality of the maize straw charcoal was affected mostly by the residence time of the material in the reaction chamber, and the residence time should be not less than 30 min. The lower calorific value of the pyrolysis gas could reach 15-20 MJ/m3, and the pyrolysis oil’s composition was extremely complex. The maize straw charcoal carried the most heat, accounting for 47.88% of the total product energy, and the biogas pyrolysis gas accounted for 36.17% of the total energy of the product; besides, wood tar and light oil accounted for 13.14% and 1.74%, respectively. Energy consumption ratio of continuous pyrolysis system was 0.97, and the energy recovery rate was 75.7%. The research can provide important support for the development and application of the exogenous heating biomass continuous carbonization equipment.

straw; pyrolysis; energy balance; biochar; continuous distillation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.027

TK6, TQ013

A

1002-6819(2017)-07-0206-07

2016-07-25

2017-01-25

引進國際先進農(nóng)業(yè)科學技術(shù)計劃（948計劃）“連續(xù)式生物質(zhì)分段均勻炭化技術(shù)系統(tǒng)引進研究”（2016-X55）

叢宏斌，男，山東巨野人，高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程方面技術(shù)研究。北京 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院，100125。

Email：dabinc123@163.com

※通信作者：趙立欣，甘肅蘭州人，研究員，主要從事生物質(zhì)能資源開發(fā)利用技術(shù)與政策研究。北京 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院，100125。

Email：zhaolixin5092@163.com