油茶果殼連續(xù)熱解揮發(fā)物多級(jí)冷凝生物油燃燒特性

李世博，蔣恩臣,，王明峰，韓平，簡(jiǎn)秀梅，高桂科

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣州 510642；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

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油茶果殼連續(xù)熱解揮發(fā)物多級(jí)冷凝生物油燃燒特性

李世博1，蔣恩臣1,2，王明峰1，韓平2，簡(jiǎn)秀梅1，高桂科1

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣州 510642；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

通過自主設(shè)計(jì)多級(jí)冷凝器對(duì)油茶果殼在500℃熱解揮發(fā)物冷凝獲得的生物油進(jìn)行燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了在冷凝過程中對(duì)生物油的粗分離，各級(jí)生物油的含水率得到了明顯的降低，且熱值顯著提高。通過熱重實(shí)驗(yàn)對(duì)生物油進(jìn)行燃燒過程和燃燒特性分析可知：生物油的燃燒共分為4個(gè)階段：第1階段為生物油水分和低沸點(diǎn)組分的蒸發(fā)；第2階段為中質(zhì)組分的蒸發(fā)；第3階段為重質(zhì)組分的裂解反應(yīng)，生成焦炭和氣體；第4階段為焦炭劇烈燃燒。第1級(jí)和第3級(jí)收集到的生物油可燃性能、燃盡性能和綜合燃燒性能比較好，第2級(jí)生物油的3個(gè)性能最差。

油茶果殼；熱解；多級(jí)冷凝；燃燒特性

0 引言

石油、天然氣和煤炭占我國(guó)能源總消耗量的89.2%，其中煤炭約占總消耗量的2/3，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，發(fā)展可再生能源、改變能源結(jié)構(gòu)失衡的現(xiàn)狀迫在眉睫。2016年，李克強(qiáng)總理政府工作報(bào)告中提出：增加天然氣供應(yīng)，完善風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等發(fā)展扶持政策，提高清潔能源比重；鼓勵(lì)秸稈資源化利用，減少直接焚燒。李克強(qiáng)總理的政府報(bào)告將生物質(zhì)能提上了可再生能源發(fā)展的日程，政府的大力支持是我國(guó)生物質(zhì)能發(fā)展的一個(gè)重要機(jī)遇，對(duì)我國(guó)未來生物質(zhì)能的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

油茶是世界四大木本油料之一，在我國(guó)南方地區(qū)分布廣泛，產(chǎn)量約為70萬t，但是占據(jù)油茶果實(shí)50%～60%的油茶果殼卻沒有得到很好利用，被當(dāng)作廢棄物扔掉[1-2]。生物質(zhì)熱解技術(shù)是生物質(zhì)利用的重要手段，熱解產(chǎn)生的揮發(fā)物通過冷凝產(chǎn)生能量密度高的生物油，可用于鍋爐直接燃燒[1-2]，或者經(jīng)過分離和改性等技術(shù)得到可用于更多設(shè)備的燃料[3]，是一種很有發(fā)展前景的生物質(zhì)利用技術(shù)，近年來備受關(guān)注[4-5]；而熱解得到的生物油的成分非常復(fù)雜，分離難度很大，多級(jí)冷凝技術(shù)可在熱解揮發(fā)物冷凝過程中將生物油粗分離，是一種方便而又廉價(jià)的技術(shù)[6]。

1 原料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原材料油茶果殼采自湖北省黃岡市英山縣麗枝油茶合作社，如圖1所示。

圖1 油茶果殼Fig.1 Camellia oleifera shells

油茶果殼經(jīng)自然晾曬粉碎后，過20目篩，采用長(zhǎng)沙友欣有限公司生產(chǎn)的工業(yè)分析儀和量熱儀進(jìn)行工業(yè)分析和熱值分析，結(jié)果如表1所示。油茶果殼具有很高的揮發(fā)分，比較適合用于熱解制取生物油。

表1 油茶果殼工業(yè)分析和熱值

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用自主設(shè)計(jì)的分級(jí)冷凝裝置如圖2所示。

1.電機(jī) 2.料斗 3.電加熱爐 4.管壁溫度傳感器 5.管內(nèi)溫度傳感器 6.保溫棉 7.不銹鋼冷凝管 8.玻璃冷凝管 9.變頻風(fēng)機(jī) 10.過濾器 11.生物油收集器 12.溫控儀 13.溫度采集器 14.炭箱 15.溫度控制器 16.無軸螺旋 17.熱解管圖2 生物質(zhì)連續(xù)熱解冷凝裝置Fig.2 Condensation equipment for volatile matter of consecutive pyrolysis

實(shí)驗(yàn)裝置由連續(xù)熱解裝置、冷凝裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、產(chǎn)物收集及處理裝置等組成。連續(xù)熱解裝置采用華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的無軸螺旋給料連續(xù)熱解裝置[9]。冷凝裝置示意圖如圖3所示。

1.生物油收集瓶 2.溫度傳感器 3.玻璃纖維保溫棉 4.不銹鋼冷凝管 5.伴熱帶圖3 冷凝裝置Fig.3 Condensation equipment

冷凝裝置共分4級(jí)，采用4根長(zhǎng)度為500mm、壁厚為2mm的304不銹鋼管作為冷凝管路，呈蛇形連通，冷凝管外壁均勻纏繞電加熱帶控制管路的溫度。為了更好地控制管道溫度，加熱帶外層用纖維保溫棉進(jìn)行包裹保溫。每一級(jí)冷凝管的出口處安裝有PT100型溫度傳感器，監(jiān)測(cè)熱解揮發(fā)物在各級(jí)冷凝管末端的溫度，數(shù)據(jù)通過電腦進(jìn)行自動(dòng)采集。各級(jí)冷凝管路下方安裝有收集瓶來收集各級(jí)生物油產(chǎn)物。

1.3 冷凝試驗(yàn)方法

在連續(xù)熱解多級(jí)冷凝實(shí)驗(yàn)過程中，通過控制多級(jí)冷凝裝置中各級(jí)冷凝管的溫度來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱解揮發(fā)物中不同沸點(diǎn)可凝組分的粗分離。按揮發(fā)物的流動(dòng)方向，4個(gè)冷凝管的冷凝溫度段依次設(shè)為185℃以上、165～185℃、140～165℃、120～140℃。由于實(shí)驗(yàn)過程需要根據(jù)實(shí)際溫度變化調(diào)整控制各級(jí)冷凝管路的加熱溫度，所以各級(jí)冷凝管出口處的溫度會(huì)與設(shè)定值有一定的偏離，但偏差不大，均在可控范圍。油茶果殼連續(xù)熱解條件設(shè)為：熱解溫度500℃，熱解時(shí)間11min，處理量2.82kg/h。

四級(jí)冷凝器收集到的生物油依次記為：Y1、Y2、Y3、Y4。采用長(zhǎng)沙友欣有限公司生產(chǎn)的量熱儀測(cè)試各級(jí)生物油的熱值；采用德國(guó)肖特生產(chǎn)的型號(hào)為Titroline easy電位滴定儀室溫下測(cè)定pH值；水分測(cè)試采用上海超精科技貿(mào)易有限公司的型號(hào)為ZKF-1卡爾費(fèi)休水分測(cè)定儀；粘度采用毛細(xì)管粘度計(jì)在30℃的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)定。

熱重實(shí)驗(yàn)儀器采用德國(guó)耐馳公司STA 449 C Jupiter同步熱分析儀。樣品取約8mg，采用10℃/min的升溫速率從30℃升到800℃對(duì)油茶果殼生物油進(jìn)行熱重分析實(shí)驗(yàn)。保護(hù)氣為純度為99.99%的氮?dú)猓祾邭鉃榭諝?，二者的氣流速度均?0mL/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 多級(jí)冷凝

四級(jí)冷凝器收集到的生物油測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 生油的化學(xué)特性

常規(guī)冷凝方法所獲得的生物油含水率一般都在20%～30%之間，熱值在15～18MJ/kg之間[9]。由表2可知：四級(jí)生物油水分范圍為12.19%～16.25%，水分含量遠(yuǎn)低于常規(guī)冷凝方法所獲得的生物油。實(shí)驗(yàn)中各級(jí)冷凝溫度都在100℃以上，理論上不會(huì)有水凝結(jié)，但由于冷凝器的收集瓶處于常溫環(huán)境，所以會(huì)有部分水分在這里被凝結(jié)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中各級(jí)生物油的含水率比預(yù)期要高。高位熱值均大于23MJ/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)方法所獲生物油的熱值。通過多級(jí)冷凝所獲得生物油的水分明顯降低，高位熱值顯著提高，對(duì)提高生物油的品質(zhì)有著重要的意義。但是，實(shí)驗(yàn)中所獲的各級(jí)生物油的pH仍然較低，可能是大部分酸類組分提前被凝結(jié)下來，酸性過大對(duì)生物油的應(yīng)用不利，還需要進(jìn)一步分析其形成原因并進(jìn)行控制。四級(jí)生物油中Y2的粘度最大，可推測(cè)Y2中收集到了更多的重質(zhì)組分。

2.2 燃燒過程分析

四級(jí)冷凝器收集到生物油的熱重曲線如圖4所示。

圖4 生物油熱重曲線Fig.4 TG curve of bio-oil

由DTG曲線可知油茶果殼生物油燃燒過程可分為4個(gè)階段：第1階段Y1、Y2、Y3和Y4的溫度范圍分別為30～132℃、30～134℃、30～120℃和30～130℃；第2階段Y1、Y2、Y3和Y4的溫度范圍分別為132～290℃、134～305℃、120～275℃和130～285℃；第3階段Y1、Y2、Y3和Y4的溫度范圍分別為290～415℃、305～440℃、275～417℃和285～400℃；第4階段Y1、Y2、Y3和Y4的溫度范圍分別為415～575℃、440～610℃、417～575℃和400～530℃。

1)第1階段主要是生物油中水分和低沸點(diǎn)組分的蒸發(fā)。四級(jí)生物油的結(jié)束溫度比較接近，在DSC曲線上表現(xiàn)出一個(gè)明顯的吸熱峰，Y1、Y2、Y3和Y4的失重量分別為16.2%、12.3%、16.3%和27.7%。由于Y2中重質(zhì)組分含量較高，所以失重量最??；而Y4中輕質(zhì)組分含量較高，所以失重量最大。

2)第2階段主要是中質(zhì)組分的蒸發(fā)。Y1、Y2、Y3和Y4的失重量分別為32.3%、32.7%、33.6%和32.1%，四級(jí)生物油失重量相差不大，說明四級(jí)生物中中質(zhì)成分含量相當(dāng)。隨溫度的升高，失重速率逐漸增加，在200℃～250℃之間峰值達(dá)到最大。由于生物油的熱穩(wěn)定性較差，120°C左右時(shí)會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)[10]，在此階段生物油開始發(fā)生緩慢的裂解。

3)第3階段主要是重質(zhì)組分的裂解反應(yīng)，生成焦炭和氣體，失重主要是裂解產(chǎn)生的氣體所致，所以失重相對(duì)比較緩慢。Y1、Y2、Y3和Y4的失重量分別為12.9%、16.1%、13.6%和11.0%。由于Y2中重質(zhì)組分含量高，失重量最大；而Y4中重質(zhì)組分相對(duì)較少，所以失重量最小。由于在此階段組分揮發(fā)減少，氧氣可以擴(kuò)散至半焦，半焦開始緩慢燃燒[10]，在DTG出現(xiàn)燃燒產(chǎn)生失重峰，且在DSC曲線上可看到明顯的突變。

4)第4階段主要是第3階段產(chǎn)生焦炭的劇烈燃燒，最終殘留均小于1%。Y1、Y2、Y3和Y4的失重量分別為37.6%、38.2%、36.02%和28.73%。由DTG曲線可知失重速率快速增加，在480～580℃之間失重速率達(dá)到最大，在對(duì)應(yīng)溫度DSC曲線產(chǎn)生一個(gè)與DTG峰值溫度相近的放熱峰；除Y2外，其他三級(jí)生物油的峰值溫度隨冷凝溫度的升高而增加。

由上述分析可知：油茶果殼生物油在空氣氛圍下燃燒共分為4個(gè)階段：第1階段為生物油水分低沸點(diǎn)組分蒸發(fā)；第2階段為中質(zhì)組分的蒸發(fā)；第3階段為重質(zhì)組分的裂解反應(yīng)，生成焦炭和氣體；第4階段為焦炭的劇烈燃燒。其中，第2階段和第4階段失重量較大，第1階段和第3階段失重量較小。

2.3 燃燒特性分析

通過對(duì)熱重曲線可以得到一系列表征燃燒的參數(shù)(見表3)，如著火溫度和燃盡溫度等。這些參數(shù)不僅反應(yīng)生物油的燃燒特性，也對(duì)燃燒器使用和設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。通過可燃特性指數(shù)、燃盡特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)，可以反映生物油的燃燒特性。

表3 生物油燃燒特性參數(shù)

可燃特性指數(shù)Cr是一個(gè)放大了的反應(yīng)性能指數(shù)，主要反映了燃料在燃燒前期的反應(yīng)能力。可燃性指數(shù)越大, 說明可燃性越好。

(1)

其中,Ti為著火溫度(K)；dw/dτmax為最大燃燒速度(%/min)。著火溫度通過第3階段的燃燒失重峰，在TG曲線上通過外推法確定。

燃盡特性指數(shù)Cb綜合考慮了燃料著火和燃燒穩(wěn)定性等因素對(duì)燃盡的影響。Cb越大，燃料的燃盡特性越好。則

(2)

其中，f1為前期燃盡率(%)；f2為后期燃盡率；τ0為燃盡時(shí)間(min)。燃盡溫度為轉(zhuǎn)化率為98%時(shí)的溫度[11]。

綜合燃燒特性指數(shù)Sn廣泛應(yīng)用于表征燃料的燃燒特性[12]。Sn值越大，表示燃燒性能越好。為全面評(píng)價(jià)生物油的燃燒特性，通過熱重曲線得到的參數(shù)通過對(duì)生物油的綜合燃燒特性指數(shù)燃燒情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，則

(3)

其中，dw/dτmean為平均燃燒速度(%/min)；Th為燃盡溫度(K)。

由表3可知：由于Y2重質(zhì)組分較多，組分最難揮發(fā)，而生物油的著火很大程度上取決于有機(jī)物的揮發(fā)過程[13]；Y2的燃燒反應(yīng)的著火溫度最高，且燃盡溫度和燃盡時(shí)間明顯高于其他三級(jí)生物油，所以Y2的燃燒性能和燃盡性能最差。Y4前期燃盡率較大，在進(jìn)入燃燒階段之前已經(jīng)有大量的可燃質(zhì)揮發(fā)走，而Y4的著火點(diǎn)相比其他3組又沒有明顯減小，所以Y4的可燃燒性能比Y1和Y3差；但Y4的燃盡時(shí)間明顯比其他3組小，所以Y4的燃盡性能最好。Y1和Y3的熱重曲線比較接近，各項(xiàng)參數(shù)也比較接近，Y1和Y3的可燃性能、燃盡性能和綜合燃燒性能都比較好。

3 結(jié)論

1)利用通過自主設(shè)計(jì)的多級(jí)冷凝裝置對(duì)油茶果殼在500℃時(shí)的熱解揮發(fā)物進(jìn)行了分級(jí)冷凝實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在熱解過程中對(duì)生物油的粗分離，各級(jí)生物油的含水率得到明顯降低，且熱值顯著提高，為生物油下一階段高品質(zhì)利用打下了良好基礎(chǔ)。

2)利用熱重實(shí)驗(yàn)對(duì)各級(jí)生物油在空氣氛圍下進(jìn)行燃燒過程分析可知，油茶果殼生物油在空氣氛圍下燃燒共分為4個(gè)階段。第1階段為生物油水分低沸點(diǎn)組分的蒸發(fā)；第2階段為中質(zhì)組分的蒸發(fā)；第3階段為重質(zhì)組分的裂解反應(yīng)，生成焦炭和氣體；第4階段為焦炭的劇烈燃燒。其中，第2階段和第4階段失重量較大，第1階段和第3階段失重量最小。

3)通過對(duì)生物油的燃燒特性分析發(fā)現(xiàn)：第1級(jí)和第3級(jí)收集的生物油可燃性能、燃盡性能和綜合燃燒性能比較好，第2級(jí)收集的生物油的3個(gè)性能最差。

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Combustion Characteristics of Bio-oil From Multistage Condensation of Camellia Oleifera Shells Continual Pyrolysis Volatiles

Li Shibo1, Jiang Enchen1,2, Wang Mingfeng1, Han Ping2, Jian Xiumei1, Gao Guike1

(1.College of Materials and Energy, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.Colleget of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Pyrolysis volatiles of camellia oleifera shells at 500℃ was condensed by self-designed multi-stage condenser to obtain bio-oil ,whose combustion characteristics was investigated by thermogravimetric analysis techniques. Bio-oil was segregated roughly in the process of condensation.The moisture content of bio-oil was decreased obviously,and calorific value became higher significantly.The results indicated that the combustion processes of bio-oil occurred in four stages, namely the water and the light compounds evaporation, medium compounds evaporation, pyrolysis of the heavy compounds, and finally burning of the coke strongly. Ignition characteristics, burnout characteristics and synthetic combustion characteristics of the first and third stages bio-oil were better, and the three characteristics of the second stages bio-oil were the worst.

camellia oleifera shells; pyrolysis; multistage condensation; combustion characteristics

2016-05-10

科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2014GB2E000048)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51576071)

李世博(1989-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，(E-mail) xllsb@sina.cn。

蔣恩臣(1960-)，男，黑龍江佳木斯富錦人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)ecjiang@scau.edu.cn。

S216.2

A

1003-188X(2017)06-0245-05