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生物质热解过程中焦油形成机理的研究

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第47卷第5期 2013年1O月 华中师范大学学报(自然科学版) joURNAL oF HUAZH0NG N0RMAL UNIVERSITY(Nat.Sci.) VoI.47 No.5 0ct.2013 文章编号:1000—1190(2013)05 0671 05 生物质热解过程中焦油形成机理的研究 米 铁 ,徐玲娜 ,袁羽书 ,杜明原 ,肖少飞 ,吴正舜 (1.江汉大学工业烟尘污染控制湖北省重点实验室,武汉430056;2.华中师范大学化学学院,武汉430079) 摘要:以组成生物质的纤维素和木质素为研究对象,考查了焦油的成分随温度的变化关系,并对 焦油的形成机理进行探讨.实验结果发现:纤维素在热解过程中收集到的焦油组成主要以酸、醛、 酮、酚为主,且随温度的增加,焦油组成中的酸、醛、酮、酚组份发生二次热裂解向苯、萘等芳香化程 度增加的过程转化,而木质素在热解过程中收集到的焦油组成主要以苯、甲苯以及多环芳烃为主, 且随温度增加,甲苯进一步向苯及多环芳烃进行转化. 关键词:生物质;热解气化;焦油形成机理 中图分类号:TQ35 文献标识码:A 随着生物质气化技术研究和应用的发展,热解 焦油的影响已广受关注.作为热解气化过程中的副 产品,焦油常温下呈黏稠状液态,可引起输气管路 步指明方向. 1实验部分 1.1实验原料 的堵塞、腐蚀等,对气化系统及用气设备都非常不 利,为此已开发了多种工艺用于脱除生物质热解气 化过程中产生的焦油_1].催化裂化工艺被认为是一 种最具潜力的焦油脱除方法,在特定催化剂作用下 实现焦油组分的深度反应从而将焦油中的一些成 实验中所使用的纤维素是从市面购买,其分子 量为6万;木质素为生物质燃料经酸水解去除纤维 素与半纤维素后所得;木粉与谷壳为生物质废异物 经粉碎制得,其粉径为24目的筛下物,它们的元素 分析与工业分析如表1所示. 表1 实验原料的元素分析与工业分析 Tab.1 Element and industrial analysis of experimental materials 分转化为永久性气体和少量焦炭,使燃气中夹带的 焦油含量明显缩减 ].但目前对催化裂化中焦油构 成变化及其机理性分析的报道较少,导致焦油裂解 催化剂的研究开发具有一定的盲目性. 生物质热解气化过程产生的焦油组成非常复 杂,已辨识出的组分就有上百种l_3 ],而且组成、性 元素分析(wt ) 原料 工业分析(wt ) 水分固定碳、挥发份灰份 C 木粉谷壳H O N 质各不相同.经历催化裂化后,焦油总量虽然由于 自身的热裂解发生了大缩减,但焦油各成分也发生 了方向和深度的转化,导致焦油裂化机理的复杂 49.72 5.05 45.17 0.06 4l_44 7.34 51.07 0.16 木质素47.6 4.3 47.7 0 性l6。].研究焦油构成的变化,对探索催化裂化机 理、开发适合于工程应用的高效焦油脱除技术具有 重要指导意义. 纤维素42.71 5.64 47.60 0 1.2实验装置及方法 热解实验设备如图1所示,主要由给料系统、 电加热炉及固定床反应系统和冷凝收集系统等组 成.固定床反应管(内径2.5 cm,长120 cm)由耐高 本文以组成生物质燃料的纤维素以及木质 素为研究对象,考查了其在不同温度下的热解气 化过程中产生的焦油组成随温度的变化关系,旨 温不锈钢管制成,恒温区为100 crn,反应管下端有 一在研究生物质热解气化过程中焦油形成机理,为 生物质气化过程中焦油裂解催化剂的开发进一 支撑孔板,用于支撑并过滤气体中的夹带的 飞灰. 收稿日期:2013—04 25. 基金项目:国家自然科学基金项目(51076058);湖北省自然科学基金项目(2012FFC08901);工业烟尘污染控制湖北省 重点实验室开放基金项目(HBIK2013—02);大学生创新创业训练计划A类项目. *通讯联系人.E—mail:WUZS@mail.CCtlU.edu.cn. 672 华中师范大学学报(自然科学版) 第47卷 q 物质燃料 HovO -fOH HOx OH 1 1 HO U 0 oH Jn o-f- 日H^+cH1+Co o+c 1H 。 放窄或去 t 体分析仪 冰}{i_中 t体沈瓶 图1 生物质热解实验装置示意图 Fig.1 Experimental flow diagram for the pyrolysis of biomass 系统采用氮气作为载气(流速4O mL/min), 当温度达到设定值后,反应物料由螺旋进料器连续 送入反应器,为了保证物料在设定的温度下完全裂 解,进料速率控制在0.2 g/min,同时避免了大量 进料导致温度的不均匀热解.物料进入反应管后发 生快速热解气化,产生的气体夹带着焦油经过滤后 进入后面的冷凝系统,燃气中夹带的焦油经冷阱洗 瓶,洗掉燃气中的焦油组份后放空,洗瓶中的洗液 用作GC_MS分析. 1.3焦油成份的GC-MS分析 在不同反应条件下收集的焦油洗液通过GC— MS(Type:Finnigan Trace Ms,USA)分析,GC— MS的毛细管柱为:50 m×0.25 1Tim,采用非极性 的HP一5(5 联苯一95%聚硅氧烷)作为固定相,膜 厚为0.25/am,柱温为6O℃~290℃,升温速率为: 10℃/min,进样量取1 L,分流比为23:1.实验过 程中通过对比不同峰的保留时间与其对应时间下 标准库中的物质确定对应的组成. 2结果与讨论 2.1不同温度下纤维素热解气化收集的焦油GC- MS分析 将纤维素在不同的热解温度下收集的焦油作 GC—MS分析,结果如图2和表2所示.从图2和表 2中可以看出:在GC~MS分析中,纤维素热解后所 收集的焦油组分主要是以RT小于9.03组份为 主,即以酸、醛、酚、酮组份为主,即纤维素由于热解 发生了下反应: 图2纤维素在不同温度下热解气化收集的焦油GC-MS分析 Fig.2 The GC—MS of tar for pyrolysis of cellulose in different temperature 表2纤维素在不同热解温度下收集的焦油 GC—MS分析组成含量表 Tab.2 The GC—MS analysis of content of tar for pyrolysis of cellulose in different temperature Relative abundance/wt RT/min 化合物名称 分子式—— 600℃ 700℃800℃ 且随温度的升高,部分醛、酚、酮化合物发生二 次裂解向更稳定的苯、萘等芳烃化合物进行转化, 如糠醛从6oo ̄C时的18.22wt ̄/4降低到8OO ̄C时的 第5期 米 铁等:生物质热解过程中焦油形成机理的研究 3.57 wt ,呋喃二酮则从600℃时的7.。O wt 降 低到800 oC时的2.02 wt ,而苯则从600 oC时的未 检测到升到800℃时12.33 wt 9/6.随着温度的升 高,在收集的焦油组份中还检出了萘等多环芳烃化 合物,从600 oC时的未检测到升至800 oC时的1.21 wt ,其中700 oC时其含量达4.77 wt .由此可以 说明:纤维素在较低的温度下裂解时,焦油中组份 的芳烃化合物进行转化. 2.2不同温度下木质素热解气化收集的焦油GC— MS分析 将木质素在不同的热解温度下收集的焦油 GC—MS作分析,结果如图3和表3所示.从图3和 表3中可以看出:木质素热解产生的焦油主要以 苯、甲苯等芳烃化合物为主,即木质素由于热解发 生了下反应: 主要以醛、酚、酮、酸化合物为主,随着温度的升高, 焦油中不稳定的化合物会发生二次裂解向更稳定 。H CH O/ / >=.一 亡== CO+CO:+CH H。O+C+Tar 且随温度的升高,部分芳烃化合物发生二次 裂解,向更稳定的多环芳烃化合物进行转化,如 甲苯从600 oC时的18.25 wt 降低到800℃时的 16.48 wt ,联苯撑则从600℃时的1.93 wt 9/6升 高到800℃时的2.96 wt ,而蒽则从600 oC时未 检测到升至800 oC时的7.24 wt .随着温度的升 ∞ 图3木质素在不同温度下热解气化收集的焦油GC-MS分析 Fig.3 The GC—MS of tar for pyrolysis of lignin in different temperature 高,收集到焦油组份中的多环芳烃化合物的种类 与组份的含量增加.由此可以说明:木质素在较 低的温度下裂解时,焦油中组份主要以苯、甲苯 化合物为主,随着温度的升高,焦油中部分芳烃 的化合物会发生二次裂解向更稳定的多环芳烃 化合物进行转化. 2.3不同温度下生物质燃料热解气化收集的焦油 GC-MS分析 在上述相同条件下,以木粉和谷壳进行了相同 表3木质素在不同热解温度下收集的焦油 GC—MS分析组成含量表 Tab.3 The GC—MS analysis of content of tar for pyrolysis of lignin in different temperature 的实验研究,收集到的焦油进行GC—MS分析如图 4(木粉)与图5(谷壳)所示.从图4与图5可以看 出,由木粉与谷壳热解所收集的焦油GC—MS分析 组份大致相同,只是相对含量有所差别,且均随着 温度的升高,其总体变化趋势相同.这主要归因于 木粉和谷壳均由纤维素与木质素组成,只是含量存 RT/min 名称 Relative abundance/wt 分子式—— 1.89 Benzene(苯) C6H6 44.01 18.25 在一些差别,因而导致它们热解时产生相同的焦油 化合物,即纤维素热解产生醛、酚、酮、酸化合物为 主,而木质素热解以苯、甲苯化合物为主,且二者均 随温度的升高,部分化合物发生二次热裂解生成多 环芳烃化合物,即生物质燃料在热解时发生了下列 反应: 2.62 Methyl—benzene(甲苯)Cr Hs 1O.20 Biphenylene(联苯撑) C12 Ha 1.93 11.03 l2.39 14.34 Fluorene(芴) Anthracene(蒽) Pyrene(芘) Cl3H1o 2.51 C14HI。 C1 6 H10 一 一 674 华中师范大学学报(自然科学版) 第47卷 HO. ̄O loH ∞ 纤维素 :o 0 o、oH j.fl=_n 一a日 r 一HO\/且、 o 。 生物质燃料 次裂解 ’。日 木质素 图4木粉在不同温度下热解气化时 收集焦油的GC—MS图 Fig.4 The GC—MS of(= tar for pyrolysis ofwood fl>∞ ∞  our in different temperature 图5 谷壳在不同温度下热解气化时收集焦油的GC—MS图 Fig.5 The GC—MS of tar{or pyrolysis of husk in different temperature 3结论 通过对组成生物质燃料的纤维素、木质素以及 。 生二次裂解 温度升高发 ∞ 不同的生物质燃料木粉、谷壳的热解收集的焦油 GC—MS分析表明: 1)纤维素在热解气化过程中收集到的焦油组 成主要以酸、醛、酮、酚组份为主,且随热解气化温 度的增加,焦油组成中的醛、酮、酚组份发生二次热 裂解,进行脱氧向苯、萘等芳香化程度增加的过程 转化,其中苯600℃时未检测到升至80O℃时的 12.33 wt ,而萘从600 oC时未检测到升至800℃ 时的1.21 wt ,其中700℃时其含量达 4.77 wt%. 2)木质素在热解气化过程中产生的焦油组成 主要以苯、甲苯为主,其中苯从600℃时44.O1 wt 升到800℃时的44.6 wt ,而甲苯则从 600℃时18.25 wt%降低到8OO℃时的16.48 wt ,且随温度增加,甲苯进一步脱甲基向苯及多 环芳烃进行转化.在8OO℃时,焦油组份中出现联 苯撑、芴、蒽、芘等多环芳烃化合物. 3)不同种类的生物质燃料(如木粉、谷壳)热解 气化过程中产生的焦油组成基本相同,即主要由 酸、醛、酮、酚以及苯、甲苯为主,且随温度的升高, 它们中的部分化合物如醛、酮、酚会发生二次裂解, 向多环芳烃化合物进行转化. 参考文献: [1]吴正舜,米铁,陈义峰,等.生物质气化过程中焦油形成机 理的研究EJ].太阳能学报,2010(2):233 236. 张晓东,周劲松,骆仲泱,等.催化裂化生物质焦油构成变化 [J].燃料化学学报,2005,33(5):582 585. 骆仲泱,张晓东,周劲松,等.生物质热解焦油的热裂解与催 化裂解[J].高校化学工程学报,2004(2):162—167. 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Iyzed waste lubricating oil[J].Journal of Analytical and Ap— Study of tar formation and variation mechanism for biomass pyrolysis gasification MI Tie 。XU Lingna ,YUAN Yushu。,DU Minyuan。,XIAO Shaofei ,WU Zhengshun。 (1.Hubei Key Laboratory of Industrial Fume&Dust Pollution Control,Jianghan University,Wuhan 430056; 2.The College of Chemistry,Huazhong Normal University,Wuhan 430079) Abstract:In this study,the regularity of the tar composition was studied for the pyroly— sis of the C61llulose and lignin at different temperature,in addition the formation mecha— nism of tar was discussed.The experimental results showed that tar produced in the Py— rolysis gasification of cellulose mainly consisited of acid,aldehyde,ketone and pheno1. With increasing temperature,the secondary thermal cracking of acid,aldehyde,ketone and phenol occurrred and deoxidized to increaseing aromatization of benzene and naph— thalene process.However,the tar produced from lignin pyrolysis mainly contained ben— zene,methyl benzene.With increasing temperature,methyl benzene transformed into benzene and polyaromatic hydrocarbon by further demethylation. Key words:biomass pyrolysis gasification;tar;formation and variation mechanism 

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