花生秸稈微波裂解產物特性研究

羅朝陽

（達州職業(yè)技術學院，四川達州63 5 001）

花生是我國的主要油料作物之一，產量排在世界前列，2019年全國花生種植面積超過462萬公頃，種植面積連年增加，但與此同時產生的花生秸稈量也是空前的，平均一年產生約2000～3000萬噸。雖然花生秸稈含有非常豐富的纖維素、粗蛋白等營養(yǎng)物質，但我國對這一資源卻沒有很好地開發(fā)，大部分是焚燒浪費掉了[1]。因此，對花生秸稈綜合利用研究，不僅可以解決資源浪費，也可以增加農民收入，改善生態(tài)環(huán)境。

裂解是國內外生產生物質能源的一項重要技術[2]，國內外對微波裂解技術的應用已比較成熟，但對秸稈裂解的研究較少，特別是對花生秸稈的微波裂解研究更少。秸稈是一種潛在的清潔型能源，通過對秸稈，特別是花生秸稈的微波裂解研究，對于補充我國及全世界能源短缺都有很大幫助。因此，本課題擬選用花生秸稈作為研究對象，利用微波裂解技術，將秸稈熱解成固、液、氣三相產物，通過控制變量研究裂解功率、秸稈長度、含水率對各相產物產率的影響，以及對各種氣體產量的影響，得到花生秸稈微波裂解產物特性的一般規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

本實驗所選材料為花生秸稈，去葉去枝，秸稈本身含水率為8%，根據實驗需要配置成含水率分別為18%、28%、38%；將秸稈剪成1 cm和3 cm的樣品，并用粉碎機粉碎篩網篩選出粗粉粒徑2mm和細粉粒徑60目。

微波裂解裝置（NJL4-2型，南京杰全微波設備有限公司）由高溫微波裂解爐、熱電偶、冷凝裝置、抽水泵、氮氣瓶組成。裂解爐溫度、功率可由操作界面直接控制。分析混合氣體成分及各成分含量采用氣相色譜儀（Agilent Intuvo 9000，美國安捷倫科技有限公司）。粉碎機型號為HCL-5型（北京華宏金誠有限公司）。

1.2 實驗條件

本實驗研究裂解功率、秸稈長度和含水率對三相產率的影響，因此，選取控制變量的方法進行逐個研究。變量的取值范圍如下：

（1）裂解功率：裂解功率與原料的升溫速率（即微波加熱效率）有關[3]。因此，本實驗選擇1.5 kW、2kW、2.5 kW、3 kW四個功率水平，探究功率對三相產物產率的影響；

（2）秸稈長度：由于秸稈長度不同，裂解時的接觸面積不同，并且還要考慮不能過長。因此，本實驗選擇1 cm、3 cm、粗粉粒徑2mm、細粉60目四個水平來進行實驗；

（3）秸稈含水率：在預熱過程中，秸稈中的水分很大一部分會變成水蒸汽之后冷凝，合成氣體的水蒸汽就會減少，對液相產率和氣相產率就有影響。因此，本實驗選擇了8%、18%、28%、38%四個梯度的含水率進行研究[4]。

2 結果與討論

2.1 含水率對產物影響

2.1.1 含水率對各項產物產率的影響

水是吸收微波最好的介質，含水率高的花生秸稈在微波裂解時升溫速度會加快并迅速達到設定溫度，減少反應過程中可能出現(xiàn)的二次裂解，并且秸稈的裂解也會更充分[5]。

圖1 含水率對各項產物產率的影響

圖1 表示溫度為800℃、功率為2kW、秸稈長度為3 cm時，花生秸稈裂解生成的氣、液、固三相產物產率與不同含水率的變化規(guī)律。從圖中可以看出，裂解充分后氣相產物的產率可以占到一半以上，而隨著含水率的不斷增加，固相產率不斷減少，原因可能在于水分含量越高裂解越充分；含水量為28%時，氣相產率和液相產率分別達到最小值和最大值，說明含水量28%是制備生物油等液相產物最優(yōu)的含水率，同時得到最少的氣相產物。

2.1.2 含水率對各氣體含量的影響

圖2 含水率對產率影響

從圖2可以看出，CO的產率最少，在10%左右上下波動；而CO2的含量在21%時達到最小值，此時H2和CH4的含量分別達到最大值。CH4的含量相對穩(wěn)定，穩(wěn)定在23%～30%之間，而H2和CO2的波動浮動則略大一些。

2.1.3 含水率對氣體熱值的影響

根據圖3可以看出，含水率對混合氣熱值影響較顯著。隨著含水率的提高，混合氣熱值不斷增加，當含水率為28%時，熱值達到最大值，隨著含水率繼續(xù)增加，混合氣熱值下降。說明在含水率為28%左右時，氣體熱值最大，應盡量把物料的含水率調整在28%左右。

圖3 含水率對氣體熱值的影響

2.2 長度對產物的影響

2.2.1 長度對各項產物產率的影響

圖4表示溫度為800℃、功率為2kW、含水率為8%時，花生秸稈裂解生成的固、液、氣三相產物的產率隨樣品尺寸不同的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著樣品尺寸的增加，固相產物的產率從26.61%逐漸減少至23.47%，但減少的幅度不大；氣相產率在65%～70%之間波動；而液相產物在秸稈未粉碎時比粉碎以后其液相產率要高，可能原因是粉碎后促進了生物油的二次裂解。

這是因為傳統(tǒng)的高溫裂解，主要受樣品的導熱率影響，而秸稈長度的不同，對傳熱和傳質又有很大的影響，而且裂解時與加熱系統(tǒng)的接觸面積也不同。因此，不同長度的秸稈升溫速率以及裂解程度都會受到影響，從而導致三相產物產率的不同。但微波裂解不同，其特點就是高穿透性，可以直接到達樣品中心，不存在導熱的過程，其加熱裂解的溫度在各個方向的傳導也是均勻一致的。

從圖5中可以看出，1 cm是一個很重要的尺寸，CO、H2、CO2、CH4分別在 1 cm 處達到最小值和最大值。測算4組實驗中每種氣體的平均值，可以發(fā)現(xiàn)，氣體含量從高到低依次為：CO2、H2、CH4、CO。

圖5 物料尺寸對氣體含量影響

2.2.3 長度對氣體熱值的影響

圖4 物料尺寸對各項產率的影響

圖6 物料尺寸對氣體熱值的影響

從圖6可以看出，當秸稈長度為1 cm，混合氣熱值最低，為33008.37 kJ/kg，其他水平時，混合氣熱值基本穩(wěn)定在55000kJ/kg～60000kJ/kg。

2.3 功率對產物的影響

2.3.1 功率對各項產物產率的影響

圖7表示溫度為800℃、含水率為8%、長度為3 cm時，花生秸稈微波裂解生成固、液、氣三相產物的產率隨功率不同的變化規(guī)律。分析數(shù)據得出，隨著功率的增加，固相產率從25.12%逐漸降至22.15%，液相產率從11.04%逐漸降至1.69%，且固相產率減幅小于液相產率，而氣相產率在不斷增加，但從2.5 kW到3 kW的增幅略有下降。

功率即升溫速率，也就是物料的裂解時間，從以上結論可知，功率越大，物料在反應器內的反應時間就越短，這不僅抑制了液相產物的二次裂解，也減少了固相產物的質量，從而使產氣量不斷增加，甚至占到總產率的三分之二以上。

圖7 功率對各項產率的影響

2.3.2 功率對各氣體含量的影響

如圖8，功率對CO和CH4的產率在2kW時分別達到最大值及最小值，其余功率時都比較穩(wěn)定；對CO2的影響很大，說明功率的不同會大大改變CO2的產量；對H2的影響也比較大，當功率為2kW時，H2產量存在最大值。這說明，在制備不同氣體時，要選擇不同功率，否則達不到其產量的最大值。

2.3.3 功率對氣體熱值的影響

幾何之務，不在知其然而在知其所以然；不在知其所以然，而在何由以知其所以然？讀定理，既知其然矣；又從而證之，以見其所以然.若此所謂證者，僅口得而傳，心不得而求，則此流傳二千載，用遍五大洲之十三章經(注：即《幾何原本》)，亦特教員專利之秘方耳，曷足貴哉？初中于平面幾何之教材，已講授不少，惟于方法之運用尚欠熟練耳；故高中宜特別偏重焉.本書于第一篇汎論推證之法；而第二篇之于證定理，第四篇之于解作圖題，概以方法為經，以教材為緯.凡此種種，皆欲啟發(fā)學者，示以思維之道耳.

從圖9可以看出，在2.5kw時氣體熱值最大，而1.5 kW、2kW、3 kW時氣體熱值則比較穩(wěn)定。

3 結論

圖8 功率對氣體含量影響

圖9 功率對氣體熱值的影響

（1）通過氣相色譜儀的分析，氣相產物混合氣主要包括 CO、CO2、H2、CH4，其中 CO 得率是最低的；

（2）在其他條件不變時，含水率對各項產物產率的影響較顯著，隨著含水率增加，固相產物會逐漸減少，而在28%左右時液相產率達到最大值，熱值達到最大；

（3）在其他條件不變時，長度對氣、固產率影響不大，但長度對氣體熱值略有影響，3 cm時熱值最大；

（4）在其他條件不變時，功率對固相產率影響不大，對氣相和液相產率有顯著影響，隨著功率的增加，氣相產率不斷增加，液相產率不斷減少。對于混合氣熱值，當功率在2.5 kW時熱值最大。