總的來講,影響微波生物質熱解的主要因素包括化學和物理兩大方面。化學因素包括一系列復雜的一次反應和二次反應;物理因素主要是反應過程中的傳熱、傳質以及原料的物理特性等。具體的操作條件表現為:溫度、物料特性、催化劑、滯留時間、壓力和升溫速率。
2.2.1 溫度
在微波生物質熱解過程中,溫度是一個很重要的影響因素, 它對熱解產物分布、組分、產率和熱解氣熱值都有很大的影響。生物質熱解最終產物中氣、油、炭各占比例的多少,隨反應溫度的高低和加熱速度的快慢有很大差異。一般地說,低溫、長期滯留的慢速熱解主要用于最大限度地增加炭的產量,其質量產率和能量產率分別達到30%和50%(質量分數)[11~13]。
溫度小于600℃的常規熱解時,采用中等反應速率,生物油、不可凝氣體和炭的產率基本相等;閃速熱解溫度在500~650℃范圍內,主要用來增加生物油的產量,生物油產率可達80%(質量分數);同樣的閃速熱解,若溫度高于700℃,在非常高的反應速率和極短的氣相滯留期下,主要用于生產氣體產物,其產率可達80%(質量分數)。當升溫速率極快時,半纖維素和纖維素幾乎不生成炭[5]。
2.2.2 生物質材料的影響
生物質種類、分子結構、粒徑及形狀等特性對生物質熱解行為和產物組成等有著重要的影響[3]。這種影響相當復雜,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程。 由于木質素較纖維素和半纖維素難分解,因而通常含木質素多者焦炭產量較大;而半纖維素多者,焦炭產量較小。在生物質構成中,以木質素熱解所得到的液態產物熱值為最大;氣體產物中以木聚糖熱解所得到的氣體熱值最大[5]。
生物質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,熱解過程受反應動力學速率控制,而當粒徑大于1mm時,熱解過程中還同時受到傳熱和傳質現象的控制。大顆粒物料比小顆粒傳熱能力差,顆粒內部升溫要遲緩,即大顆粒物料在低溫區的停留時間要長,從而對熱解產物的分布造成了影響。 隨著顆粒的粒徑的增大,熱解產物中固相炭的產量增大。從獲得更多生物油角度看,生物質顆粒的尺寸以小為宜,但這無疑會導致破碎和篩選有難度,實際上只要選用小于1mm的生物質顆粒就可以了。
2.2.3 催化劑的影響
有關研究人員用不同的催化劑摻入生物質熱解試驗中,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、碳的產量,降低生物油的產量,而且能促進原料中氫釋放,使空氣產物中的H2/CO增大;K+能促進CO、CO2的生成,但幾乎不影響H2O的生成;NaCl能促進纖維素反應中H2O、CO、CO2的生成;加氫裂化能增加生物油的產量,并使油的分子量變小。
另外,原料反應得到的產物在反應器內停留時間、反應產出氣體的冷卻速度、原料顆粒尺寸等,對產出的炭、可燃性氣體、生物油(降溫由氣體析出)的產量比例也有一定影響[5]。
2.2.4 滯留時間
滯留時間在生物質熱解反應中有固相滯留時間和氣相滯留時間之分。固相滯留時間越短,熱解的固態產物所占的比例就越小,總的產物量越大,熱解越完全。在給定的溫度和升溫速率的條件下,固相滯留時間越短,反應的轉化產物中的固相產物就越少,氣相產物的量就越大。氣相滯留期時間一般并不影響生物質的一次裂解反應過程,而只影響到液態產物中的生物油發生的二次裂解反應的進程。當生物質熱解產物中的一次產物進入圍繞生物質顆粒的氣相中,生物油就會發生進一步的裂化反應,在熾熱的反應器中,氣相滯留時間越長,生物油的二次裂解發生的就越嚴重,二次裂解反應增多,放出H2、CH4、CO等,導致液態產物迅速減少,氣體產物增加。所以,為獲得最大生物油產量,應縮短氣相滯留期,使揮發產物迅速離開反應器,減少焦油二次裂解的時間[3~5]。
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,最終影響熱解產物產量的分布。隨著壓力的提高,生物質的活化能減小,且減小的趨勢漸緩。在較高的壓力下,生物質的熱解速率有明顯的提高,反應也更激烈,而且揮發產物的滯留期增加,二次裂解較大;而在低的壓力下,揮發物可以迅速從顆粒表面離開,從而限制了二次裂解的發生,增加了生物油產量[14,15]。
2.2.6 升溫速率
升溫速率對微波生物質熱解的影響很大。一般對微波生物質熱解有正反兩方面的影響。升溫速率增加,物料顆粒達到熱解所需溫度的相應時間變短,有利于熱解;但同時顆粒內外的溫差變大,由于傳熱滯后效應會影響內部熱解的進行。隨著升溫速率的增大,溫度滯后就越嚴重,熱重曲線和差熱曲線的分辨力就會越低,物料失重和失重速率曲線均向高溫區移動。熱解速率和熱解特征溫度(熱解起始溫度、熱解速率最快的溫度、熱解終止溫度)均隨升溫速率的提高呈線形增長。在一定熱解時間內,慢加熱速率會延長熱解物料在低溫區的停留時間,促進纖維素和木質素的脫水和炭化反應,導致炭產率增加。氣體和生物油的產率在很大程度上取決于揮發物生成的一次反應和生物油的二次裂解反應的競爭結果,較快的加熱方式使得揮發分在高溫環境下的滯留時間增加,促進了二次裂解的進行,使得生物油產率下降、燃氣產率提高[16~18]。
邁可威公司主要產品由:實驗室微波爐,微波馬弗爐,微波消解儀,微波灰化爐、微波化學合成儀、微波管式爐、微波試驗爐等多款科儀類產品,并堅持非標定制設備及工業化生產裝置制作。
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