葛 建,齊國利,董 芃
(1.中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司,北京100055;2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京100013;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱150001)
由于焦油問題阻礙了生物質(zhì)氣化商業(yè)化的推廣和應(yīng)用,所以要想設(shè)計(jì)和建造生物質(zhì)熱解氣化裝置,就必須對(duì)焦油的特性有明確的認(rèn)識(shí)[1].另外,生物質(zhì)氣化過程中產(chǎn)生焦油的問題是世界性的難題,還無法完全找到性價(jià)比較高的工程化方法之前,對(duì)產(chǎn)生焦油的再利用問題,也是一個(gè)研究重點(diǎn)[2-5].上述兩個(gè)方面都需要對(duì)生物質(zhì)焦油的特性有明確的認(rèn)識(shí),同時(shí)需要對(duì)生物質(zhì)焦油的再利用方法進(jìn)行研究.因?yàn)榻褂椭泻休^多的雜質(zhì)和水分,要對(duì)焦油進(jìn)行再利用,必須進(jìn)行蒸餾,研究蒸餾前后的焦油成分變化,為焦油的利用提供技術(shù)支撐[6-9].
本實(shí)驗(yàn)采用克利夫蘭開口閃點(diǎn)儀,測定儀器適用于按中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)GB/T3546《石油產(chǎn)品閃點(diǎn)和燃點(diǎn)測定法(克利夫蘭開口杯法)》所規(guī)定的方法.閃點(diǎn)和燃點(diǎn)測試結(jié)果:對(duì)蒸餾后的焦油餾分進(jìn)行了測定,結(jié)果為:餾分的閃點(diǎn)為49℃.由于閃點(diǎn)高于45℃,根據(jù)相關(guān)規(guī)定,屬于可燃物.餾分的燃點(diǎn)為54℃.
本實(shí)驗(yàn)所用密度計(jì)規(guī)格為:0.940~1.000、1.000~1.060、1.060~1.120,最小分度值為0.002.實(shí)驗(yàn)采用石油密度計(jì)法.從表1測定結(jié)果可以看出,生物質(zhì)焦油餾分的密度和水比較接近,與化石燃料的密度相差較大,而三種生物質(zhì)所產(chǎn)的焦油餾分密度相差不大,從而說明了各種生物質(zhì)焦油的組成成分是相似的.
表1 生物質(zhì)焦油餾分的密度
實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑為0.4 mm的黏度計(jì)進(jìn)行測定.恒溫浴使用電熱恒溫水浴箱和2 L的透明塑料量杯來實(shí)現(xiàn).從表2測定結(jié)果看,生物質(zhì)焦油餾分的運(yùn)動(dòng)黏度遠(yuǎn)小于一般的化石燃料.
表2 生物質(zhì)焦油餾分的黏度
實(shí)驗(yàn)采用PHB-1型筆式pH計(jì)進(jìn)行測定.該方法具有測量速度快,測定精度高的優(yōu)點(diǎn).因?yàn)椴捎昧藬?shù)字顯示,所以不存在讀數(shù)誤差.PHB-1型筆式pH計(jì)的測量范圍為0~14,測量精度為0.1.從表3中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,玉米秸桿與樺木屑焦油餾分的pH值相差不多,稻殼焦油餾分的pH值略高,但三種生物質(zhì)氣化后焦油餾分的pH值相差不大.
表3 生物質(zhì)焦油餾分的酸度
熱值測定依據(jù)GB384-81規(guī)定的方法,采用上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的XRY-1A型氧彈量熱計(jì)進(jìn)行測定.從表4中可以看出三種生物質(zhì)焦油餾分的熱值相差不大,進(jìn)一步說明了這三種生物質(zhì)所產(chǎn)生的焦油產(chǎn)物性質(zhì)相近.
表4 生物質(zhì)焦油餾分的熱值
表5是焦油的元素分析,從表5中可以看出水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不多,但樺木屑油的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低.
表5 生物質(zhì)焦油的元素分析
雖然不同原料、不同熱轉(zhuǎn)換形式、不同運(yùn)行參數(shù)和工藝、不同轉(zhuǎn)換裝置和目的所得生物質(zhì)焦油的理化特性和主要組成成分比例不同,但有一點(diǎn)是公認(rèn)的,即生物質(zhì)油的主要成分是酸類、呋喃類和酚類,焦油的主要成分是以萘等大分子芳香族化合物為代表的,例如芴、菲、蒽、芘等多環(huán)芳烴.因此,本文雖然研究了不同的生物質(zhì)種類,但在成分的分析上以稻殼焦油為代表,進(jìn)行生物質(zhì)焦油分析.
儀器采用美國安捷倫HP5973GC/MS進(jìn)行分析.
色譜條件:HP-5痕量分析色譜柱,30 m×0.25 mm×0.25μm毛細(xì)管柱;載氣為高純氦氣,載氣流量為1.0 mL/min,標(biāo)稱初始?jí)毫?4.36 kPa,平均流速為36 cm/s;分流比為5∶1;柱溫(初始溫度)為55℃,平衡時(shí)間為0.5 min,以10℃/min的升溫速率升至300℃,停留22 min;進(jìn)樣口溫度為320℃.
質(zhì)譜條件:電離源為EI,電子轟擊能量為70 eV,質(zhì)量范圍m/z為15~650 amu,掃描時(shí)間為3 min,質(zhì)量掃描方式為SCAN.
樣品處理方法:稻殼焦油試樣用丙酮溶解,用無水硫酸鈉去除其中的水分,得測試樣品.稻殼焦油餾分利用蒸餾設(shè)備制取,并在冷卻后用無水硫酸鈉去除其中的水分.焦油及焦油餾分總離子流圖見圖1、2,焦油和焦油餾分中可辨識(shí)的主要化合物及相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表6、7.
圖1 生物質(zhì)熱解的原始焦油總離子流圖
從表6、7可以看出,稻殼焦油餾分是由原始生物質(zhì)焦油蒸餾而來的,其成分有許多相似之處,都含有萘及其衍生物、苯酚及其衍生物、菲、蒽、芴等.其中,在經(jīng)過蒸餾過程后,萘、蒽和苯酚及其衍生物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是增加的;芴和菲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是減小的.苯酚及其衍生物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加是由于萘和蒽發(fā)生開環(huán)反應(yīng),并結(jié)合其他自由基而形成苯酚及其衍生物;芴和菲質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少的原因是分解為萘和蒽;萘和蒽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加是由于萘和蒽在蒸餾過程中總的分解量小于生成量所造成的.而且,從圖1、2中可知,焦油經(jīng)過蒸餾后成分種類從45種增加到147種,餾分中可辨識(shí)的成分種類增加,這是可能是由于蒸餾過程中自由基種類增加,所以產(chǎn)生了更多的化合物.
表6 稻殼焦油中可辨識(shí)的主要化合物及相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)
圖2 稻殼焦油餾分總離子流圖
1)參照國外對(duì)生物柴油的理化測試標(biāo)準(zhǔn),對(duì)生物質(zhì)焦油餾分的密度、黏度、酸度、餾程、閃點(diǎn)、燃點(diǎn)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明三種生物質(zhì)油的理化特性相近.
2)稻殼、樺木屑和秸稈焦油的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不多,但樺木屑焦油的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低.
3)對(duì)原始生物質(zhì)焦油和蒸餾后的焦油餾分用GC-MS進(jìn)行了分析,結(jié)果表明焦油和餾分都有萘及其衍生物、苯酚及其衍生物、菲、蒽、芴等,生物質(zhì)焦油餾分萘、蒽、苯酚及其衍生物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,芴、菲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小,餾分中可辨識(shí)的成分種類較焦油中的多.通過對(duì)生物質(zhì)焦油及焦油餾分的分析,得到了焦油及焦油餾分的理化特性和主要成分,對(duì)生物質(zhì)焦油再利用的奠定了基礎(chǔ).
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