玉米秸秆通过烟气烘焙时质量和能量产率研究

玉米秸秆通过烟气烘焙时质量和能量产率研究

陈美园

（中国光大绿色环保有限公司广东深圳518000）

摘要：有氧烘焙是一种可以改善生物质燃料品质的预处理技术，与在惰性气体环境中的非氧化烘焙相比，有氧烘焙能显著节约能源。本实验利用由O2（摩尔分数3%-7%）、CO2和N2等组成的混合气体模拟电厂锅炉烟气，在275-375℃温度范围内和大气压力下对玉米秸秆进行有氧烘焙，并测定了烘焙后玉米秸秆的质量和能量产率。研究发现，玉米秸秆经氧化干燥后，其质量和能量产率随着温度的升高和输入气体中氧组分的增加而降低。与O2摩尔分数相比，烘焙温度对生物质质量和能量产率有更显著的影响。低烘焙温度降低了烘焙过程中的能量输入，并提高了产物的质量和能量产率。在低烘焙温度下，上述产率只受到O2含量变化的轻微影响。

关键词：烟气烘焙；实验；能量

引言

将生物质作为燃料仍然存在着一些问题，如：水分含量高、能量密度低、易降解、碾磨和运输成本高等。在惰性气氛下，生物质经过温和的热处理（即烘焙，温度通常在200-400℃），可以得到品质更高的类似于煤的固体燃料，从而解决上述大多数缺点。

然而，在惰性气氛中对生物质进行烘焙的成本是比较高的。因此，有人提出了利用火力发电厂的烟气对生物质进行烘焙的设想（Sellappah等人先前提出）。这种处理方式利用火力发电厂锅炉烟气的余热为烘焙过程提供热量，提高了能源的利用效率。本次研究在275-375℃的温度范围内模拟电厂干烟气对玉米秸秆进行氧化烘焙，测定烘焙后玉米秸秆的低位发热量，并对其质量和能量产率进行计算。

1.实验仪器及过程介绍

实验中使用的玉米秸秆生长于黑龙江省，经风干、切碎、筛选后制备成75-150μm粒径的颗粒，其空气干燥基的近似分析及低位发热量如表1所示。近似分析根据国家标准GB/T212-2008在长沙开元仪器有限公司生产的电炉（5E-DHG）和马弗炉（5E-MF6000）中进行；生物质燃料的热值根据国家标准GB/T213-2008的规定，用长沙开元仪器有限公司生产的5E-AC/PL量热计进行测量。

表1原玉米秸秆的近似分析和低位发热量

实验采用由O2、CO2和N2组成的混合气体模拟火电厂干燥后的烟气在图1所示的大气压水平流管（HFT）反应器（马弗炉）中对所有样品分批加热20分钟。实验中，N2流速是恒定的，约为2.4L/min，以保持N2摩尔分数接近80%；O2摩尔分数分别设为3%（0.09L/min）、5%（0.15L/min）和7%（0.21L/min）；相应的，CO2的摩尔分数设为17%（0.51L/min）、15%（0.45L/min）和13%（0.39L/min）；总流速保持在3L/min左右。在275-375℃范围内，选择五种不同温度（275℃、300℃、325℃、350℃、375℃）的烘焙过程进行研究。所有实验至少重复三次。

图1.电加热水平流管反应器示意图

2.实验结果及讨论

表2记录了不同温度和O2摩尔分数下烘焙后玉米秸秆的近似分析结果和低位发热量（LHV）。

表2.不同温度和O2摩尔分数下烘焙后玉米秸秆的近似分析（wt%）及低位发热量

近似分析结果表明，提高烘焙温度或O2摩尔分数，可使玉米秸秆中的挥发物质量分数从原来的71.2%降低到60.78%（275℃和3%O2），或降低到57.14%（275℃和5%O2）；玉米秸秆的固定碳和灰分质量分数随着加热温度和O2摩尔分数的增加而增加。在较高温度下，O2摩尔分数对减少烘焙玉米秸秆挥发分含量的影响更为明显。

烘焙后生物质的质量和能量产率可定义如下：

（1）

（2）

表3、4记录了等式（1）、（2）的计算结果。根据计算结果可以发现，温度从275℃提高到375℃，烘焙后玉米秸秆的质量产率降低了；当O2摩尔分数从3%增加到7%时，玉米秸秆的质量产率出现少量下降。在275℃时，将O2摩尔分数从3%变为7%，此时质量产率从50.2%降低到48.5%；而在375℃时，质量产率从35.9%降低到31.2%。对比分析可知，在更高的温度下，O2摩尔分数对质量产率的影响更为明显。表4中的数据表明，提高烘焙温度和增加氧摩尔分数都会降低生物质的能量产率。

表3.不同O2组分浓度和温度下烘焙玉米秸秆的质量产率（%）

表4.不同O2组分浓度和温度下烘焙玉米秸秆的能量产率（%）

图2中有氧烘焙（3-7%O2摩尔组分浓度）的质量产率和能量产率之间的对应线性关系通过式（3）给出。根据参考文献：[9]中的数据可以算得无氧烘焙的质量和能量产率。

（3）

可以注意到，随着O2摩尔分数的增加，能量损失率略高于质量损失率；而随着温度的升高，能量损失率略低于质量损失率。这是因为随着O2摩尔分数的增加，烘焙后的生物质的低位发热量（能量密度）略有下降；但随着温度的升高，能量密度又会略有增加。

图2.不同温度和O2摩尔分数下烘焙后玉米

秸秆的能量产率与质量产率的关系。

烘焙后，玉米秸秆的质量和能量产率分别在31-50%和35-56%之间，其值与其他类型生物质（质量产率和能量产率分别为17-93%和30-94%）的实验结果吻合。

3.结论

本次实验在N2平衡的条件下，分别使用3%/17%、5%/15%和7%/13%摩尔分数的O2/CO2，并且在275-375℃温度范围内对玉米秸秆进行热处理，测量烘焙后玉米秸秆的质量和能量产率。通过分析，可以确定：

1）玉米秸秆氧化烘焙过程中的质量产率随温度（275-375℃）的升高从约50%降低到约31%，而能量产率随温度的升高从约55%降低到约35%。

2）玉米秸秆的质量产率随着混合气体中O2摩尔分数的增加（3-7%）降低2-5个百分点，而能量产率随温度的升高而降低2-8个百分点。

3）低温加热降低了工艺的能量输入，提高了产品的质量和能量产率。

4）在低温条件下，质量和能量的产生受到O2摩尔分数变化的轻微影响。

参考文献：

[1]生物质烘焙及其产物热解燃烧反应特性研究[D].华南理工大学，2017.

[2]Ren，X.，Sun，R.，Meng，X.，Vorobiev，N.，Schiemann，M.，andLevendis，Y.A.，2017，"Carbon，sulfurandnitrogenoxideemissionsfromcombustionofpulverizedrawandtorrefiedbiomass，"Fuel，188，pp.310-323.

[3]Rokni，E.，Ren，X.，Panahi，A.，andLevendis，Y.A.，2018，"EmissionsofSO2，NOx，CO2，andHClfromCo-firingofcoalswithrawandtorrefiedbiomassfuels，"Fuel，211，pp.363-374.

[4]Rousset，P.，Macedo，L.，Commandré，J.-M.，andMoreira，A.，2012，"Biomasstorrefactionunderdifferentoxygenconcentrationsanditseffectonthecompositionofthesolidby-product，"JournalofAnalyticalandAppliedPyrolysis，96，pp.86-91.

[5]胡双清[1，刁兴兴.烘焙对生物质热化学转化特性影响的研究进展[J].新能源进展，2018（1）.