王 冠,趙立欣,孟海波,姚宗路,楊宏志,田宜水
(1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100125; 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 食品學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)
我國能源結(jié)構(gòu)主要以煤炭為主,因其使用造成的環(huán)境污染、生態(tài)破壞日趨嚴(yán)重,人均能源消費(fèi)水平和能源利用率比較低。因此,發(fā)展新的能源工業(yè),調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和提高能源利用率在我國已成為當(dāng)務(wù)之急。
近年來,一些國內(nèi)外學(xué)者研究以高溫?zé)峤饨斩?、木屑、樹皮等生物質(zhì)的方法制得生物炭、生物油以及熱解氣作為燃料,替代石油以及煤。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)十分豐富的國家。據(jù)統(tǒng)計(jì),2010年全國各種秸稈產(chǎn)量9億多t,約合5億多t標(biāo)準(zhǔn)煤[1,2],而畜禽糞便的產(chǎn)量達(dá)45億t[1];大量的畜禽糞便嚴(yán)重占用和污染農(nóng)田、污染水體、產(chǎn)生惡臭并造成生物污染。表1為我國2010年主要的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量,由此可見,秸稈的主要來源分別是稻谷、玉米、小麥、雜糧及豆類。
表1 中國2010年主要農(nóng)作物及秸稈產(chǎn)量Table.1 2010 main crop and straw yield
在我國,農(nóng)作物秸稈主要作為生活燃料、飼料、肥料和工業(yè)原料。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì):約有15.0%的秸稈被用來直接還田造肥;24%的秸稈被用作飼料; 2.3%的秸稈被用作工業(yè)原料[6]。除此之外,只有58.7%的秸稈可以作為能源使用。積極有效的利用可再生能源,尤其是秸稈和畜禽糞便等非木質(zhì)類生物質(zhì)資源,將其最大化的轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能,逐步替代煤、石油、天然氣等不可再生能源,已經(jīng)迫在眉睫。而通過秸稈熱解制取生物炭是一個(gè)重要研究方向。
目前,國內(nèi)對生物質(zhì)熱裂解研究主要集中在生物燃?xì)狻⑸镉偷确矫?,而針對熱解制生物炭的研究較少。生物炭是一種含碳量特別豐富的木炭,它是在限氧或缺氧環(huán)境下,通過高溫裂解將木材、草、玉米稈或畜禽糞便等生物質(zhì)碳化,得到的一種固態(tài)產(chǎn)物,被科學(xué)家們稱為“生物炭”。很多科學(xué)家冠以生物炭“黑色黃金”的美譽(yù)。生物炭通過固定生物質(zhì)中的碳,對大氣、土壤循環(huán)、陸地碳儲存等都有重要影響。有學(xué)者認(rèn)為,生物炭可能是唯一的穩(wěn)定性碳源,是改變土壤碳庫自然平衡、較大程度提高土壤碳庫容量的技術(shù)方式[3],也是解決CO2排放、緩解溫室效應(yīng)的一條重要的可行途徑,生物炭還田很有可能成為人類解決全球氣候變化問題的一條重要途徑[4-5]。
本文從原料的種類、熱解技術(shù)、工藝過程以及影響因素四方面,對生物質(zhì)熱裂解制取生物炭的國內(nèi)研究現(xiàn)狀、特點(diǎn)以及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行梳理、分析與研究,提出應(yīng)針對不同地域、不同種類的生物質(zhì)原料熱裂解,生產(chǎn)生物炭技術(shù)工藝進(jìn)行深入研究,為生物炭產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支撐。
國外早在20世紀(jì)末就開展了對木質(zhì)類生物質(zhì)熱解機(jī)理和熱解制取焦油的研究,近年來對玉米秸稈的熱解制油的研究也逐漸增加。世界各國的科學(xué)家多年來一直在尋找理想的非木質(zhì)類能源植物,即多年生、成熟快、干物質(zhì)產(chǎn)量高、碳和氮的固定效率高的植物。多年的研究發(fā)現(xiàn),原產(chǎn)于我國及東南亞國家的芒草類植物就是這類理想的能源植物。已被歐洲、美國、日本等國家引進(jìn)種植,加以研究開發(fā)和廣泛利用于生物質(zhì)發(fā)電、提煉“生物石油”。[6]北美和歐洲國家前幾年開始種植一種名為象草(又名紫狼尾草)的速生能量植物作為燃料發(fā)電,以替代一部分煤炭和石油。據(jù)估算,種植一公頃的象草加工后產(chǎn)生的熱量可替代36桶石油。而在我國三峽庫區(qū)推廣種植的王草,經(jīng)熱解研究發(fā)現(xiàn)熱解制成的燃料可用于電廠發(fā)電,具有很高的能源利用價(jià)值[7]。
國內(nèi)近年來對非木質(zhì)類生物質(zhì)的熱解研究傾向于各種農(nóng)作物的秸稈[8-10],對小麥秸稈、玉米秸稈、稻草、棉花秸稈的研究最為多見。于斐雪[11]等對四種農(nóng)作物秸稈的熱解產(chǎn)物得率進(jìn)行了研究,其結(jié)果表明:當(dāng)熱解的溫度都相同時(shí),棉花秸稈的熱解炭得率最低,而玉米稈、稻草、麥草的熱解炭得率相近,但稻草略大一些。冉景煜[12]等利用熱重法研究了4種典型農(nóng)作物生物質(zhì)的熱解動力學(xué)特性后發(fā)現(xiàn):由于參與實(shí)驗(yàn)的四種生物質(zhì)的高揮發(fā)份和低固定碳,使其熱解比較徹底,綜合熱解特性指數(shù)依次為:稻殼<玉米稈<稻草<玉米芯,如圖1、圖2所示。
對于畜禽糞便類非木質(zhì)生物質(zhì)的熱解,國內(nèi)的研究還很少。現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn):畜禽糞便的熱解過程與秸稈呈現(xiàn)一致的規(guī)律性,但熱解過程中因?yàn)楦鳂悠坊瘜W(xué)組分的不同,導(dǎo)致其TG、DTG和DSC曲線存在差異[13-14]。涂德?。?5]在研究豬、牛、羊、雞四種畜禽糞便的工業(yè)組成和化學(xué)成分分析時(shí)發(fā)現(xiàn):四種畜禽糞便的化學(xué)成分、灰分和堿金屬含量與農(nóng)作物秸稈有很大的差異。尚斌[16]在其碩士研究論文中表明:豬、牛、羊、雞四種畜禽糞便的熱解總體規(guī)律是一致的,從室溫升溫至200℃左右,熱解進(jìn)行的較為緩慢;在200~450℃是熱解反應(yīng)進(jìn)行最為劇烈的階段;溫度到達(dá)500℃以后熱解重新變?yōu)榫徛M(jìn)行,直至熱解結(jié)束。
圖1 TG曲線[12]
圖2 DTG曲線[12]
目前研究生物質(zhì)熱解特性的方法有很多種,但最常用的還是動態(tài)熱重法(TG)和在熱重法基礎(chǔ)上使用的微分熱重法(DTG)。在研究過程中多將這兩種方法聯(lián)用,利用TG-DTG曲線分析生物質(zhì)的熱解規(guī)律,而利用熱重-差熱(TG-DTA)曲線分析燃燒過程中的放熱量。其他的技術(shù)手段還有:差示掃描量熱法(DSC),傅立葉紅外變換光譜法(FTIR),液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)檢測技術(shù)以及掃描電鏡(SEM)分析技術(shù)。
胡威[17]等運(yùn)用熱重-差示掃描(TG-DSC)同步熱分析儀對制取生物炭原料的選擇及需熱量分析進(jìn)行了研究,并提出將DSC曲線應(yīng)用在工業(yè)熱解換熱器傳熱設(shè)計(jì)和校核中。P Fu[18]等利用熱重—傅立葉紅外光譜技術(shù)(TG-FTIR)聯(lián)用的方法對三種農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行熱重研究。王蕓[19]運(yùn)用GC-MS分析方法檢測了松木、稻稈及纖維素、半纖維素、木質(zhì)素三種組分的熱解焦油產(chǎn)物成分及相互影響規(guī)律。譚洪[20]等利用電鏡掃描對所得熱解炭進(jìn)行分析,SEM分析表明:所得熱解炭呈多孔結(jié)構(gòu)。
秸稈等生物質(zhì)的熱解過程需要大量的熱能[21]。周新華[22]等對玉米秸稈熱解規(guī)律的研究表明:玉米秸稈的等溫失重過程由脫水、保持、劇烈失重和緩慢失重四個(gè)階段組成;李永齡[23]在對秸稈熱解的研究中也將熱解失重過程分為脫水、玻璃化轉(zhuǎn)變、熱解主要階段和緩慢分解過程四個(gè)階段。而段佳[24]在研究上海地區(qū)的晚稻稻稈后,提出秸稈的整體熱解分區(qū)分為:生物質(zhì)化學(xué)組分熱解分區(qū)、活化熱解區(qū)和消極熱解區(qū)這三個(gè)分區(qū);浮愛青[25]等在對小麥和玉米秸稈的熱解研究中同樣將熱解分為三個(gè)階段;無獨(dú)有偶,史長東[26]對玉米等秸稈進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)研究時(shí)也將熱解過程分為三個(gè)階段。由此可見,多數(shù)研究結(jié)果表明:秸稈的熱解失重過程可分為三個(gè)階段:干燥預(yù)熱階段、揮發(fā)份析出階段以及炭化階段。如圖3所示:第一階段一般發(fā)生在室溫~130℃,生物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列,水分大量流失;第二個(gè)階段發(fā)生在130~450℃之間,質(zhì)量大幅度下降,纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等固體物質(zhì)吸收大量熱量而分解,揮發(fā)份析出;第三個(gè)階段主要發(fā)生在450℃之后,生物炭慢慢形成,產(chǎn)生富炭殘留物。
圖3 熱解分區(qū)示意圖
影響生物質(zhì)熱解炭的實(shí)驗(yàn)因素很多,其中起主要作用的因素有:樣品的理化特性、原料粒度、熱解溫度、升溫速率、氣氛、催化劑等。這些因素會影響生物質(zhì)熱解過程以及制得生物炭的產(chǎn)量和品質(zhì)。在熱解反應(yīng)的過程中,由于理化特性的差異,也會引起不同的傳質(zhì)傳熱限制,最終導(dǎo)致熱解反應(yīng)的速率和熱解特性都產(chǎn)生特別大的差異。
樣品粒度主要在傳熱方面對生物質(zhì)熱解過程產(chǎn)生影響。粒度大的物料要比粒度小的物料傳熱的能力差,大顆粒的物料內(nèi)部升溫緩慢,在低溫區(qū)的熱解會持續(xù)較長時(shí)間,隨著物料顆粒度的增加,熱解炭的產(chǎn)量也會增加。但較大的顆粒度會嚴(yán)重影響熱傳遞給后期的TG分析帶來嚴(yán)重的誤差[27],顆粒內(nèi)外溫差較大,會導(dǎo)致嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象,且顆粒外層的熱解產(chǎn)物來不及擴(kuò)散,會嚴(yán)重影響內(nèi)部熱解的進(jìn)行[23],因此,選擇合適的樣品粒度對熱解生物炭的得率很重要。
隨著熱解溫度的升高,秸稈炭的得炭率呈下降趨勢[11]。而熱解反應(yīng)發(fā)生的溫度越低,生物炭的回收率越高。周新華[22]利用熱重分析法對玉米秸稈在200℃、250℃、300℃、350℃下恒溫2h進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)恒溫段所采用的溫度對TG曲線的動態(tài)影響較大,恒溫在300和350℃時(shí),TG曲線在起始階段有很明顯的失重過程。楊海平[28]等人的研究也得到了相似的結(jié)論,隨著熱解溫度(300~600℃)的不斷升高,生物炭的得率不斷的降低,從36.7%降到28.5%。
升溫速率的改變,是影響生物質(zhì)熱解制炭過程的一個(gè)十分重要的影響因素,升溫速率越高,產(chǎn)生的影響也就越大。
段佳[24]等對上海地區(qū)的晚稻稻稈及稻殼在三種升溫速率(10℃/min、20℃/min、30℃/min)下的研究表明:提高升溫速率有利于提高失重率。浮愛青[25]等控制升溫速率在20℃/min、40℃/min、60℃/ min、80℃/min對小麥和玉米秸稈進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)中與段佳有相同發(fā)現(xiàn):隨著升溫速率的增加,熱解反應(yīng)進(jìn)行越劇烈,熱解的最大速率增加。
然而,升溫速率越高,滯后現(xiàn)象越明顯[29]。升溫速率的增加使樣品顆粒達(dá)到熱解所需要的響應(yīng)時(shí)間變短,雖然有利于熱解,但是,樣品經(jīng)歷的反應(yīng)時(shí)間的減少會造成反應(yīng)程度的降低[23]。較高升溫速率的熱解炭的產(chǎn)量低于較低升溫速率的熱解炭的產(chǎn)量。姬登祥[30]等對水稻秸稈在升溫速度為20℃/ min、40℃/min、60℃/min的研究也證實(shí)了這一觀點(diǎn),在升溫速率較低的情況下,樣品有足夠的時(shí)間吸收熱量,熱解的起始溫度和終止溫度降低;反之樣品內(nèi)部存在較大的溫度梯度,致使顆粒內(nèi)部存在較嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象;加快升溫速度,殘?zhí)康拇媪袈食氏陆第厔荨?/p>
生物質(zhì)的熱解可以在空氣、O2、惰性氣體(包括N2、He)以及真空或加壓等氛圍內(nèi)進(jìn)行,不同的氛圍下,對熱解特性曲線以及熱解炭得率的影響也不盡相同?,F(xiàn)今的研究多在空氣、氧氣以及惰性氣體中進(jìn)行。在通入空氣時(shí)熱解炭的產(chǎn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在惰性氣體氛圍下的熱解炭的產(chǎn)率,前者熱解炭的產(chǎn)率僅為5%,而后者可達(dá)到20%[31]。呂薇[32]等研究在O2氛圍下玉米秸稈的熱解特性,發(fā)現(xiàn):提高O2的濃度,熱重失重率會有少許提高,完全燃燒所需要的時(shí)間縮短,燃盡溫度降低,解熱得炭率基本不變。說明在O2氛圍下的氣體流量的增加對熱解炭的得率無明顯影響。
催化劑對生物質(zhì)熱解過程以及熱解炭的得率都有很大的影響。向生物質(zhì)中添加極少的無機(jī)物質(zhì)能夠明顯的改變其熱解行為。宋春財(cái)[33]等以Na2CO3為催化劑對秸稈催化熱解的影響中發(fā)現(xiàn),0.5%(樣品質(zhì)量百分比)的Na2CO3可以降低秸稈的主要熱解溫度,提高最大失重速率。許博[34]等在研究6種無機(jī)催化劑對棉花秸稈的熱解催化效果得出的結(jié)論:堿性催化劑K2CO3、KOH降低了棉花秸稈的最大質(zhì)量損失率,而KCl、NaCl、MgCl2和ZnCl2卻增加了其最大損失率。姬登祥[30]等研究熔鹽種類對水稻秸稈熱解影響,發(fā)現(xiàn),F(xiàn)eCl2·4H2O,CuCl-KCl混合物(其中CuCl占34.0%、KCl 66.0%使秸稈的最大失重率降低,而CuCl使之升高。
目前,國內(nèi)對生物炭的熱解研究多以單項(xiàng)技術(shù)為主,集中在秸稈等農(nóng)作物廢棄物上,對此類的研究也多著重于熱解產(chǎn)氣和熱解制油上,而對于熱解制取生物炭工藝的研究相對較少,且研究的種類和地域很單一;對不同的技術(shù)路線和工藝,國內(nèi)雖然都有一定的研究,但其規(guī)模小又缺乏系統(tǒng)性,更未見有對不同地域間的秸稈熱解特性及熱解生物炭工藝做出對比分析。另外,國內(nèi)對于畜禽糞便的研究主要在生產(chǎn)沼氣、有機(jī)肥等方面,對于利用其熱解制取生物炭的研究未見報(bào)道。因此有必要針對不同地域、不同生物質(zhì)種類開展熱解特性研究,深入獲得生物質(zhì)熱解反應(yīng)規(guī)律,以期為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。
利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的大量生物質(zhì)熱解制取生物炭,具有改良土壤、代替煤燃燒及雙重減碳等作用。然而,國內(nèi)對生物質(zhì)熱解制取生物炭還有諸多問題,本文建議下一步從以下四個(gè)方面深入研究:
(1)對秸稈類生物質(zhì)原料基礎(chǔ)特性的深入研究,以探索原料基礎(chǔ)特性與熱解制得生物炭的品質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
(2)對秸稈類生物質(zhì)熱解特性的深入研究,為熱解炭工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
(3)對不同地域間的秸稈熱解炭工藝進(jìn)行優(yōu)化,以期尋求各個(gè)地域的最優(yōu)熱解炭工藝條件,為研發(fā)適應(yīng)我國地域特點(diǎn)的熱解設(shè)備提供數(shù)據(jù)支撐。
(4)對畜禽糞便熱解制炭的工藝進(jìn)行研究,擴(kuò)大對生物質(zhì)種類范圍,更好的利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物。
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