羅朝陽

（達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川達(dá)州63 5 001）

花生是我國的主要油料作物之一，產(chǎn)量排在世界前列，2019年全國花生種植面積超過462萬公頃，種植面積連年增加，但與此同時(shí)產(chǎn)生的花生秸稈量也是空前的，平均一年產(chǎn)生約2000～3000萬噸。雖然花生秸稈含有非常豐富的纖維素、粗蛋白等營養(yǎng)物質(zhì)，但我國對(duì)這一資源卻沒有很好地開發(fā)，大部分是焚燒浪費(fèi)掉了[1]。因此，對(duì)花生秸稈綜合利用研究，不僅可以解決資源浪費(fèi)，也可以增加農(nóng)民收入，改善生態(tài)環(huán)境。

裂解是國內(nèi)外生產(chǎn)生物質(zhì)能源的一項(xiàng)重要技術(shù)[2]，國內(nèi)外對(duì)微波裂解技術(shù)的應(yīng)用已比較成熟，但對(duì)秸稈裂解的研究較少，特別是對(duì)花生秸稈的微波裂解研究更少。秸稈是一種潛在的清潔型能源，通過對(duì)秸稈，特別是花生秸稈的微波裂解研究，對(duì)于補(bǔ)充我國及全世界能源短缺都有很大幫助。因此，本課題擬選用花生秸稈作為研究對(duì)象，利用微波裂解技術(shù)，將秸稈熱解成固、液、氣三相產(chǎn)物，通過控制變量研究裂解功率、秸稈長度、含水率對(duì)各相產(chǎn)物產(chǎn)率的影響，以及對(duì)各種氣體產(chǎn)量的影響，得到花生秸稈微波裂解產(chǎn)物特性的一般規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

本實(shí)驗(yàn)所選材料為花生秸稈，去葉去枝，秸稈本身含水率為8%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要配置成含水率分別為18%、28%、38%；將秸稈剪成1 cm和3 cm的樣品，并用粉碎機(jī)粉碎篩網(wǎng)篩選出粗粉粒徑2mm和細(xì)粉粒徑60目。

微波裂解裝置（NJL4-2型，南京杰全微波設(shè)備有限公司）由高溫微波裂解爐、熱電偶、冷凝裝置、抽水泵、氮?dú)馄拷M成。裂解爐溫度、功率可由操作界面直接控制。分析混合氣體成分及各成分含量采用氣相色譜儀（Agilent Intuvo 9000，美國安捷倫科技有限公司）。粉碎機(jī)型號(hào)為HCL-5型（北京華宏金誠有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)研究裂解功率、秸稈長度和含水率對(duì)三相產(chǎn)率的影響，因此，選取控制變量的方法進(jìn)行逐個(gè)研究。變量的取值范圍如下：

（1）裂解功率：裂解功率與原料的升溫速率（即微波加熱效率）有關(guān)[3]。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇1.5 kW、2kW、2.5 kW、3 kW四個(gè)功率水平，探究功率對(duì)三相產(chǎn)物產(chǎn)率的影響；

（2）秸稈長度：由于秸稈長度不同，裂解時(shí)的接觸面積不同，并且還要考慮不能過長。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇1 cm、3 cm、粗粉粒徑2mm、細(xì)粉60目四個(gè)水平來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

（3）秸稈含水率：在預(yù)熱過程中，秸稈中的水分很大一部分會(huì)變成水蒸汽之后冷凝，合成氣體的水蒸汽就會(huì)減少，對(duì)液相產(chǎn)率和氣相產(chǎn)率就有影響。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇了8%、18%、28%、38%四個(gè)梯度的含水率進(jìn)行研究[4]。

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率對(duì)產(chǎn)物影響

2.1.1 含水率對(duì)各項(xiàng)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

水是吸收微波最好的介質(zhì)，含水率高的花生秸稈在微波裂解時(shí)升溫速度會(huì)加快并迅速達(dá)到設(shè)定溫度，減少反應(yīng)過程中可能出現(xiàn)的二次裂解，并且秸稈的裂解也會(huì)更充分[5]。

圖1 含水率對(duì)各項(xiàng)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

圖1 表示溫度為800℃、功率為2kW、秸稈長度為3 cm時(shí)，花生秸稈裂解生成的氣、液、固三相產(chǎn)物產(chǎn)率與不同含水率的變化規(guī)律。從圖中可以看出，裂解充分后氣相產(chǎn)物的產(chǎn)率可以占到一半以上，而隨著含水率的不斷增加，固相產(chǎn)率不斷減少，原因可能在于水分含量越高裂解越充分；含水量為28%時(shí)，氣相產(chǎn)率和液相產(chǎn)率分別達(dá)到最小值和最大值，說明含水量28%是制備生物油等液相產(chǎn)物最優(yōu)的含水率，同時(shí)得到最少的氣相產(chǎn)物。

2.1.2 含水率對(duì)各氣體含量的影響

圖2 含水率對(duì)產(chǎn)率影響

從圖2可以看出，CO的產(chǎn)率最少，在10%左右上下波動(dòng)；而CO2的含量在21%時(shí)達(dá)到最小值，此時(shí)H2和CH4的含量分別達(dá)到最大值。CH4的含量相對(duì)穩(wěn)定，穩(wěn)定在23%～30%之間，而H2和CO2的波動(dòng)浮動(dòng)則略大一些。

2.1.3 含水率對(duì)氣體熱值的影響

根據(jù)圖3可以看出，含水率對(duì)混合氣熱值影響較顯著。隨著含水率的提高，混合氣熱值不斷增加，當(dāng)含水率為28%時(shí)，熱值達(dá)到最大值，隨著含水率繼續(xù)增加，混合氣熱值下降。說明在含水率為28%左右時(shí)，氣體熱值最大，應(yīng)盡量把物料的含水率調(diào)整在28%左右。

圖3 含水率對(duì)氣體熱值的影響

2.2 長度對(duì)產(chǎn)物的影響

2.2.1 長度對(duì)各項(xiàng)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

圖4表示溫度為800℃、功率為2kW、含水率為8%時(shí)，花生秸稈裂解生成的固、液、氣三相產(chǎn)物的產(chǎn)率隨樣品尺寸不同的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著樣品尺寸的增加，固相產(chǎn)物的產(chǎn)率從26.61%逐漸減少至23.47%，但減少的幅度不大；氣相產(chǎn)率在65%～70%之間波動(dòng)；而液相產(chǎn)物在秸稈未粉碎時(shí)比粉碎以后其液相產(chǎn)率要高，可能原因是粉碎后促進(jìn)了生物油的二次裂解。

這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的高溫裂解，主要受樣品的導(dǎo)熱率影響，而秸稈長度的不同，對(duì)傳熱和傳質(zhì)又有很大的影響，而且裂解時(shí)與加熱系統(tǒng)的接觸面積也不同。因此，不同長度的秸稈升溫速率以及裂解程度都會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致三相產(chǎn)物產(chǎn)率的不同。但微波裂解不同，其特點(diǎn)就是高穿透性，可以直接到達(dá)樣品中心，不存在導(dǎo)熱的過程，其加熱裂解的溫度在各個(gè)方向的傳導(dǎo)也是均勻一致的。

從圖5中可以看出，1 cm是一個(gè)很重要的尺寸，CO、H2、CO2、CH4分別在 1 cm 處達(dá)到最小值和最大值。測算4組實(shí)驗(yàn)中每種氣體的平均值，可以發(fā)現(xiàn)，氣體含量從高到低依次為：CO2、H2、CH4、CO。

圖5 物料尺寸對(duì)氣體含量影響

2.2.3 長度對(duì)氣體熱值的影響

圖4 物料尺寸對(duì)各項(xiàng)產(chǎn)率的影響

圖6 物料尺寸對(duì)氣體熱值的影響

從圖6可以看出，當(dāng)秸稈長度為1 cm，混合氣熱值最低，為33008.37 kJ/kg，其他水平時(shí)，混合氣熱值基本穩(wěn)定在55000kJ/kg～60000kJ/kg。

2.3 功率對(duì)產(chǎn)物的影響

2.3.1 功率對(duì)各項(xiàng)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

圖7表示溫度為800℃、含水率為8%、長度為3 cm時(shí)，花生秸稈微波裂解生成固、液、氣三相產(chǎn)物的產(chǎn)率隨功率不同的變化規(guī)律。分析數(shù)據(jù)得出，隨著功率的增加，固相產(chǎn)率從25.12%逐漸降至22.15%，液相產(chǎn)率從11.04%逐漸降至1.69%，且固相產(chǎn)率減幅小于液相產(chǎn)率，而氣相產(chǎn)率在不斷增加，但從2.5 kW到3 kW的增幅略有下降。

功率即升溫速率，也就是物料的裂解時(shí)間，從以上結(jié)論可知，功率越大，物料在反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間就越短，這不僅抑制了液相產(chǎn)物的二次裂解，也減少了固相產(chǎn)物的質(zhì)量，從而使產(chǎn)氣量不斷增加，甚至占到總產(chǎn)率的三分之二以上。

圖7 功率對(duì)各項(xiàng)產(chǎn)率的影響

2.3.2 功率對(duì)各氣體含量的影響

如圖8，功率對(duì)CO和CH4的產(chǎn)率在2kW時(shí)分別達(dá)到最大值及最小值，其余功率時(shí)都比較穩(wěn)定；對(duì)CO2的影響很大，說明功率的不同會(huì)大大改變CO2的產(chǎn)量；對(duì)H2的影響也比較大，當(dāng)功率為2kW時(shí)，H2產(chǎn)量存在最大值。這說明，在制備不同氣體時(shí)，要選擇不同功率，否則達(dá)不到其產(chǎn)量的最大值。

2.3.3 功率對(duì)氣體熱值的影響

幾何之務(wù)，不在知其然而在知其所以然；不在知其所以然，而在何由以知其所以然？讀定理，既知其然矣；又從而證之，以見其所以然.若此所謂證者，僅口得而傳，心不得而求，則此流傳二千載，用遍五大洲之十三章經(jīng)(注：即《幾何原本》)，亦特教員專利之秘方耳，曷足貴哉？初中于平面幾何之教材，已講授不少，惟于方法之運(yùn)用尚欠熟練耳；故高中宜特別偏重焉.本書于第一篇?dú)撏谱C之法；而第二篇之于證定理，第四篇之于解作圖題，概以方法為經(jīng)，以教材為緯.凡此種種，皆欲啟發(fā)學(xué)者，示以思維之道耳.

從圖9可以看出，在2.5kw時(shí)氣體熱值最大，而1.5 kW、2kW、3 kW時(shí)氣體熱值則比較穩(wěn)定。

3 結(jié)論

圖8 功率對(duì)氣體含量影響

圖9 功率對(duì)氣體熱值的影響

（1）通過氣相色譜儀的分析，氣相產(chǎn)物混合氣主要包括 CO、CO2、H2、CH4，其中 CO 得率是最低的；

（2）在其他條件不變時(shí)，含水率對(duì)各項(xiàng)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響較顯著，隨著含水率增加，固相產(chǎn)物會(huì)逐漸減少，而在28%左右時(shí)液相產(chǎn)率達(dá)到最大值，熱值達(dá)到最大；

（3）在其他條件不變時(shí)，長度對(duì)氣、固產(chǎn)率影響不大，但長度對(duì)氣體熱值略有影響，3 cm時(shí)熱值最大；

（4）在其他條件不變時(shí)，功率對(duì)固相產(chǎn)率影響不大，對(duì)氣相和液相產(chǎn)率有顯著影響，隨著功率的增加，氣相產(chǎn)率不斷增加，液相產(chǎn)率不斷減少。對(duì)于混合氣熱值，當(dāng)功率在2.5 kW時(shí)熱值最大。