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艾尼克斯為您講解關(guān)于微波生物質(zhì)熱解的影響因素
總的來(lái)講,影響微波生物質(zhì)熱解的主要因素包括化學(xué)和物理兩大方面?;瘜W(xué)因素包括一系列復(fù)雜的一次反應(yīng)和二次反應(yīng);物理因素主要是反應(yīng)過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)以及原料的物理特性等。具體的操作條件表現(xiàn)為:溫度、物料特性、催化劑、滯留時(shí)間、壓力和升溫速率。
2.2.1 溫度
在微波生物質(zhì)熱解過(guò)程中,溫度是一個(gè)很重要的影響因素, 它對(duì)熱解產(chǎn)物分布、組分、產(chǎn)率和熱解氣熱值都有很大的影響。生物質(zhì)熱解終產(chǎn)物中氣、油、炭各占比例的多少,隨反應(yīng)溫度的高低和加熱速度的快慢有很大差異。一般地說(shuō),低溫、長(zhǎng)期滯留的慢速熱解主要用于大限度地增加炭的產(chǎn)量,其質(zhì)量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率分別達(dá)到30%和50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。
溫度小于600℃的常規(guī)熱解時(shí),采用中等反應(yīng)速率,生物油、不可凝氣體和炭的產(chǎn)率基本相等;閃速熱解溫度在500~650℃范圍內(nèi),主要用來(lái)增加生物油的產(chǎn)量,生物油產(chǎn)率可達(dá)80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));同樣的閃速熱解,若溫度高于700℃,在非常高的反應(yīng)速率和極短的氣相滯留期下,主要用于生產(chǎn)氣體產(chǎn)物,其產(chǎn)率可達(dá)80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。當(dāng)升溫速率極快時(shí),半纖維素和纖維素幾乎不生成炭。
2.2.2 生物質(zhì)材料的影響
生物質(zhì)種類、分子結(jié)構(gòu)、粒徑及形狀等特性對(duì)生物質(zhì)熱解行為和產(chǎn)物組成等有著重要的影響。這種影響相當(dāng)復(fù)雜,與熱解溫度、壓力、升溫速率等外部特性共同作用,在不同水平和程度上影響著熱解過(guò)程。 由于木質(zhì)素較纖維素和半纖維素難分解,因而通常含木質(zhì)素多者焦炭產(chǎn)量較大;而半纖維素多者,焦炭產(chǎn)量較小。在生物質(zhì)構(gòu)成中,以木質(zhì)素?zé)峤馑玫降囊簯B(tài)產(chǎn)物熱值為大;氣體產(chǎn)物中以木聚糖熱解所得到的氣體熱值大。
生物質(zhì)粒徑的大小是影響熱解速率的決定性因素。粒徑在1mm以下時(shí),熱解過(guò)程受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率控制,而當(dāng)粒徑大于1mm時(shí),熱解過(guò)程中還同時(shí)受到傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象的控制。大顆粒物料比小顆粒傳熱能力差,顆粒內(nèi)部升溫要遲緩,即大顆粒物料在低溫區(qū)的停留時(shí)間要長(zhǎng),從而對(duì)熱解產(chǎn)物的分布造成了影響。 隨著顆粒的粒徑的增大,熱解產(chǎn)物中固相炭的產(chǎn)量增大。從獲得更多生物油角度看,生物質(zhì)顆粒的尺寸以小為宜,但這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致破碎和篩選有難度,實(shí)際上只要選用小于1mm的生物質(zhì)顆粒就可以了。
2.2.3 催化劑的影響
有關(guān)研究人員用不同的催化劑摻入生物質(zhì)熱解試驗(yàn)中,不同的催化劑起到不同的效果。如:堿金屬碳酸鹽能提高氣體、碳的產(chǎn)量,降低生物油的產(chǎn)量,而且能促進(jìn)原料中氫釋放,使空氣產(chǎn)物中的H2/CO增大;K+能促進(jìn)CO、CO2的生成,但幾乎不影響H2O的生成;NaCl能促進(jìn)纖維素反應(yīng)中H2O、CO、CO2的生成;加氫裂化能增加生物油的產(chǎn)量,并使油的分子量變小。
另外,原料反應(yīng)得到的產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間、反應(yīng)產(chǎn)出氣體的冷卻速度、原料顆粒尺寸等,對(duì)產(chǎn)出的炭、可燃性氣體、生物油(降溫由氣體析出)的產(chǎn)量比例也有一定影響。
2.2.4 滯留時(shí)間
滯留時(shí)間在生物質(zhì)熱解反應(yīng)中有固相滯留時(shí)間和氣相滯留時(shí)間之分。固相滯留時(shí)間越短,熱解的固態(tài)產(chǎn)物所占的比例就越小,總的產(chǎn)物量越大,熱解越完全。在給定的溫度和升溫速率的條件下,固相滯留時(shí)間越短,反應(yīng)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中的固相產(chǎn)物就越少,氣相產(chǎn)物的量就越大。氣相滯留期時(shí)間一般并不影響生物質(zhì)的一次裂解反應(yīng)過(guò)程,而只影響到液態(tài)產(chǎn)物中的生物油發(fā)生的二次裂解反應(yīng)的進(jìn)程。當(dāng)生物質(zhì)熱解產(chǎn)物中的一次產(chǎn)物進(jìn)入圍繞生物質(zhì)顆粒的氣相中,生物油就會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的裂化反應(yīng),在熾熱的反應(yīng)器中,氣相滯留時(shí)間越長(zhǎng),生物油的二次裂解發(fā)生的就越嚴(yán)重,二次裂解反應(yīng)增多,放出H2、CH4、CO等,導(dǎo)致液態(tài)產(chǎn)物迅速減少,氣體產(chǎn)物增加。所以,為獲得大生物油產(chǎn)量,應(yīng)縮短氣相滯留期,使揮發(fā)產(chǎn)物迅速離開(kāi)反應(yīng)器,減少焦油二次裂解的時(shí)間。
2.2.5 壓力
壓力的大小將影響氣相滯留期,從而影響二次裂解,終影響熱解產(chǎn)物產(chǎn)量的分布。隨著壓力的提高,生物質(zhì)的活化能減小,且減小的趨勢(shì)漸緩。在較高的壓力下,生物質(zhì)的熱解速率有明顯的提高,反應(yīng)也更激烈,而且揮發(fā)產(chǎn)物的滯留期增加,二次裂解較大;而在低的壓力下,揮發(fā)物可以迅速?gòu)念w粒表面離開(kāi),從而限制了二次裂解的發(fā)生,增加了生物油產(chǎn)量。
2.2.6 升溫速率
升溫速率對(duì)微波生物質(zhì)熱解的影響很大。一般對(duì)微波生物質(zhì)熱解有正反兩方面的影響。升溫速率增加,物料顆粒達(dá)到熱解所需溫度的相應(yīng)時(shí)間變短,有利于熱解;但同時(shí)顆粒內(nèi)外的溫差變大,由于傳熱滯后效應(yīng)會(huì)影響內(nèi)部熱解的進(jìn)行。隨著升溫速率的增大,溫度滯后就越嚴(yán)重,熱重曲線和差熱曲線的分辨力就會(huì)越低,物料失重和失重速率曲線均向高溫區(qū)移動(dòng)。熱解速率和熱解特征溫度(熱解起始溫度、熱解速率快的溫度、熱解終止溫度)均隨升溫速率的提高呈線形增長(zhǎng)。在一定熱解時(shí)間內(nèi),慢加熱速率會(huì)延長(zhǎng)熱解物料在低溫區(qū)的停留時(shí)間,促進(jìn)纖維素和木質(zhì)素的脫水和炭化反應(yīng),導(dǎo)致炭產(chǎn)率增加。氣體和生物油的產(chǎn)率在很大程度上取決于揮發(fā)物生成的一次反應(yīng)和生物油的二次裂解反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果,較快的加熱方式使得揮發(fā)分在高溫環(huán)境下的滯留時(shí)間增加,促進(jìn)了二次裂解的進(jìn)行,使得生物油產(chǎn)率下降、燃?xì)猱a(chǎn)率提高。