常規熱裂解工藝

熱解是生物質在完全缺氧或有限供氧的情況下利用熱能切斷生物質大分子的化學鍵，使之轉變為低分子液體生物油、可燃氣體（氫氣、甲烷、一氧化碳混合氣體）和固體炭3個組分的過程。熱解後的燃料與生物質原料相比，具有能量密度高、易貯運等優點。常規熱裂解是指在較慢升溫速率下發生的熱裂解，以熱解的固體、液體以及氣體產物為主。

基本介紹

• 中文名：常規熱裂解工藝
• 外文名：Conventional thermal cracking process 
• 條件：較慢升溫速率
• 產物：固體、液體以及氣體產物為主

簡介

針對我國農作物資源分布特點，選取棉桿作為實驗原料，通過元素、工業分析以及熱重分析方法對棉桿的物理化學特性進行了剖析，通過熱重分析將生物質熱裂解分為三個主要階段，即乾燥預熱階段、炭化階段以及煅燒階段，其中炭化階段的失重率高達50.01%，在340℃時有最大失重速率54.99%/℃；煅燒階段主要發生在400℃之後。由此得出了生物質常規熱裂解的主要研究操作條件熱解終溫、加熱速率、載氣流率和粒徑的範圍。

裝置及條件

常用的熱裂解裝置

固定床、流化床、移動床、旋轉爐、旋轉錐反應器。

熱裂解條件

熱解溫度、加熱速率、載氣流率、原料粒徑、停留時間等。

主要產物

焦炭是生物質熱裂解的固體產物，含有不同比例的灰分無機物質、未轉化完全的有機物質以及熱分解反應後的殘餘炭。焦油是生物質熱解後的液體產物，它是複雜的有機物與水的酸性混合物，通常包含酸類、醇類、醛類、脂類、酮類、酚類衍生物等。熱解氣體產物主要包括CO₂、CO、CH₄、H₂、H₂O等。

相關概念

快速熱裂解以及閃速熱裂解指在較高的升溫速率條件下的熱裂解過程，主要以液體產物為主，通常液體產物的產率高達60-75%。不同熱解過程的參數如右圖所示。

不同熱解過程的主要參數範圍

常規熱裂解實驗

（1）稱取一定粒徑的黃櫨生物質約5g放入石英管中部的石英舟中，將冰水混合物放入冷凝系統，下水瓶中充滿水，並保持U型管兩液面持平，按圖2.1連線好實驗裝置，向其中吹入大流量的N₂吹掃空氣，形成無氧環境並進行氣密性檢查。

（2）在溫控儀上設定好所需的熱解終溫和加熱速率，加熱管式爐進行熱裂解，並通過減壓閥與流量計控制N₂流率。

（3）當溫度到達200℃時將下水瓶塞上的氣體流出管用夾子夾住，控制下端放水管的控制閥用排水法收集熱解氣，並始終保持U型管的兩液面水平。

（4）當溫度到達所設定的熱解終溫後繼續保溫30min，並繼續通入同流量的N₂。

（5）實驗結束時先關閉溫控儀及管式爐加熱裝置，然後關閉N₂瓶，並將系統中殘餘的N₂排出。

（6）計算排水量，利用向下水瓶中通入水的方法將瓶中的熱解氣鼓入已用真空泵抽真空的氣囊中，並密封保存以進行GC分析確定其成分，結合排水體積和流入的N₂總體積確定氣體產率。管式爐冷卻後將石英舟取出並稱重得到固體熱解炭的產率，並放入密封袋中保存。取下液體收集瓶並保存，液體生物油的產率通過差減法獲得，即原生物質總量減去固體和氣體產率之和。這裡的生物油是指全部液態產物，包括所產焦油和水的混合物，焦油即粘性油質體，水分主要來自生物質內的結合水以及熱解過程中產生的水。

（7）更換冷凝水，同樣按照上述方法，進行不同熱解終溫、加熱速率、N₂流率和粒徑以及不同生物質原料的熱裂解實驗，並分別收集產物。