1、第 43 卷第 2 期2023 年 4 月林 产 化 学 与 工 业Chemistry and Industry of Forest ProductsVol.43 No.2Apr.2023 收稿日期:2022-01-18 基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK20191135);国家自然科学基金资助项目(51976234);林业软科学研究项目(2018-R6)作者简介:苏允泓(1997),男,辽宁大连人,硕士生,研究方向为生物质预处理及热化学转化;E-mail: 通讯作者:孙云娟,副研究员,硕士生导师,研究领域为生物质热化学转化基础与应用,E-mail:;蒋剑春,研究员,博士生导师,研究领
2、域为生物质能源与炭材料,E-mail:jiangjc 。doi:10.3969/j.issn.0253-2417.2023.02.004烘焙提升生物质燃料品质的研究SU Yunhong苏允泓1,任菊荣2,孙云娟2,蒋剑春1,2,许 乐2(1.东南大学 能源与环境学院,江苏 南京 210096;2.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所,江苏 南京 210042)摘 要:以稻壳(RH)和木屑(PS)为原料,使用小型烘焙装置,研究了烘焙对生物质燃料品质的提升作用。相比原料,烘焙稻壳(TRH)和烘焙木屑(TPS)固定碳质量分数的最大上升量分别为7.18%和11.76%;C 元素质量分数的最大上升量分
3、别3.50%和5.80%,挥发分和 O 元素质量分数明显下降,H 元素质量分数小幅降低;热值有所提升,最大提升幅度分别为 11.1%(RH)和 15.9%(PS);半纤维素大量分解,至 300 后烘焙的稻壳和木屑中半纤维素质量分数仅为 2.41%和 1.06%,降幅均超过 90%,木质素质量分数显著增加,最大增幅分别为 119%(RH)和 208%(PS)。生物质烘焙后,内部纤维结构被破坏,可磨性提高,随着烘焙程度的加深,烘焙稻壳研磨后粒径在 0.15 mm 以下的颗粒显著提升;OH 和 CO 等含氧官能团减少,疏水性提升,250 烘焙30 min 的稻壳和木屑的疏水性提升幅度分别为 28.0
4、8%和 25.66%。关键词:生物质;烘焙;化学组分;研磨性;疏水性中图分类号:TQ35 文献标志码:A 文章编号:0253-2417(2023)02-0027-09引文格式:苏允泓,任菊荣,孙云娟,等.烘焙提升生物质燃料品质的研究J.林产化学与工业,2023,43(2):27-35.Improving the Quality of Biofuel by TorrefactionSU Yunhong1,REN Jurong2,SUN Yunjuan2,JIANG Jianchun1,2,XU Le2(1.School of Energy and Environment,Southeast Un
5、iversity,Nanjing 210096,China;2.Institute of ChemicalIndustry of Forest Products,Chinese Academy of Forestry,Nanjing 210042,China)Abstract:The effect of torrefaction on the quality of biofuel was investigated through a small torrefaction experimental equipmentwith rice husk(RH)and pine sawdust(PS)as
6、 the raw materials.The results showed that torrefied rice husk and sawdustexhibited an increase in fixed carbon content by 7.18%and 11.76%,compared with the raw materials.And the C elementcontent with the largest increased of 3.50%and 5.80%for rice husk and sawdust,respectively.The contents of volat
7、ile matterand O element decreased significantly,and the content of H element also decreased slightly.The calorific value increased by11.1%(RH)and 15.9%(PS),respectively.The hemicellulose contents in the torrefied rice husk and sawdust after reaching300 were only 2.41%and 1.06%,respectively.The hemic
8、ellulose was decomposed both more than 90%.The relativecontent of lignin increased significantly,with the largest increases of 119%(RH)and 208%(PS),respectively.After biomasstorrefaction,the internal fiber structure was destroyed and the grindability was improved.With the deepening of the torrefacti
9、ondegree,the particles with the size below 0.15 mm increased significantly after torrefied rice husk being ground.The study foundthat oxygen-containing functional groups such as OH and CO were reduced,and the hydrophobicity of torrefied rice husk andsawdust increased by 28.08%and 25.66%,respectively
10、,when torrefied at 250 for 30 min.Key word:biomass;torrefaction;chemical composition;grindability;hydrophobicity在可持续和清洁环保的发展理念下,针对新能源的研究正如火如荼地开展。生物质资源是一种廉价易得、清洁可再生的新能源,并天然具备“碳中和”的优点,因此近年来受到了研究者的广泛关注1-2。中28 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷国国土广袤,有着丰富的生物质资源,每年可作为能源利用的生物质总量约相当于 4.6 亿吨标准煤3。然而,生物质具有水分含量高、亲水性强、能量密度低、不易
11、储存且产地分散等缺点,这些缺点是生物质规模化利用的主要阻碍。合适的预处理能在经济实用的前提下,降低生物质中的大量水分和氧元素,提高生物质能量密度,同时能对生物质的微观结构产生积极影响,使其更适合热化学反应4。干燥法是目前较多使用的预处理方式,可以去除水分并提高生物油的热值4,但是干燥并不能从微观层面改善生物质的内部结构以使其更适合热化学反应,也不能有效降低氧含量,并且干燥后的物料很容易再次吸潮。因此为了进一步提高生物质的燃料品质,提升热化学反应性能,有必要在干燥的基础上对其进一步处理。大量文献5-8表明,烘焙是一种可以有效提升生物质燃料品质的预处理方式。烘焙是指在常压、无氧或缺氧的条件下,反应
12、温度介于200 300 之间的生物质慢速热解过程。Chen 等9深入开展了生物质烘焙研究,研究结果证明脱氧富碳是原料提质的核心因素,烘焙可以大幅降低生物质中的 O 元素质量分数,同时提高生物质 C元素的质量分数。Strandberg 等10证明了生物质经烘焙预处理后疏水性显著提升,相对延长了生物质的“保质期”。Manouchehrinejad 等11发现黄松木屑经烘焙后研磨能耗显著下降,降幅达 90%以上。本研究以烘焙前后的稻壳和木屑为研究对象,在固定床上进行了烘焙实验,探讨不同烘焙工艺条件对生物质燃料品质的提升作用,以期为烘焙技术的发展和生物质高效利用提供一定的科学参考。1 实 验1.1 原
13、料及仪器原料稻壳(RH),收集于湖北荆州;松木屑(PS),收集于江苏老江家具厂。稻壳在 1.25 mm 筛网上反复振荡,以除去表面尘土的影响;取筛上稻壳,其长约 10 mm,最宽处约 3 mm,厚度约 0.15 mm;松木屑使用 1.25 和 0.56 mm 筛网反复振荡,取粒径在 0.56 1.25 mm 之间的木屑。将筛分好的稻壳和木屑置于 105 烘箱中干燥 12 h,随后将干燥后的稻壳和木屑装入密封袋并放于干燥器内,备用。KBF1100 箱式炉;Flash 2000 自动元素分析仪,Nicolet IS50 傅里叶红外光谱(FT-IR)仪,美国赛默飞世尔科技公司;TG209 热重(TG
14、)分析仪,德国 NETZSCH;S-3400N 扫描电子显微镜(SEM),日立公司;6300 氧弹量热仪,美国 Parr 仪器公司;ST-M100 球磨机,北京旭鑫盛科仪器设备有限公司;HWS-50B 恒温恒湿箱。1.2 烘焙取稻壳 3.00 g、松木屑 5.00 g 若干份置于烘焙装置12的石英舟中进行实验。分别在 200、230、250、280 和300 对原料烘焙30 min,以探究烘焙温度对原料的影响;在250 下,分别对原料烘焙10、30、60 和 120 min,以探究烘焙时间对其的影响。实验开始前,检查并确认装置密封性能良好后,使用高纯氮气(500 mL/min)吹扫炉膛(长约0
15、.6 m、内径约 0.05 m 的钢管)10 min,以确保烘焙实验在惰性气氛下进行。通过固定床上的温控仪进行程序控温,待温度上升至实验温度并稳定后,使用进样棒将载满原料的石英舟推至炉膛中段加热区进行烘焙。烘焙过程中的液体产物由液体收集装置收集后作无害化处理,气体产物使用气袋收集后处理。待达到实验时间后,将样品迅速取出并放于密封管中,自然冷却至室温,随后将烘焙固体产物装入密封袋并放于干燥器中储存,以进行后续的实验和表征。每组实验在相同条件下进行 3 次取平均值,以降低偶然误差并确保实验结果的可重复性。1.3 生物质组成分析1.3.1 工业分析使用 KBF1100 箱式炉,并依据固体生物质燃料工
16、业分析方法(GB/T 287312012)13对样品进行工业分析。测试前,所有样品都在 105 下干燥 12 h。1.3.2 元素分析 使用 Flash 2000 自动元素分析仪测定元素的 C、H、N、S 和 O 元素质量分数。1.3.3 组分分析 参考美国国家可再生能源实验室(NREL)标准,测定原料及烘焙后生物质中的纤维素、半纤维素、木质素的质量分数。1.4 生物质理化性质分析1.4.1 热重分析使用 TG209 热重分析仪对样品进行分析。炉体在 20 mL/min 的 N2氛围下,以第 2 期苏允泓,等:烘焙提升生物质燃料品质的研究29 20 /min 的升温速率,从室温升至 900。1.4.2 热值分析 参考固体生物质燃料发热量测定方法(GB/T 307272014)14,使用 6300 氧弹量热仪测量样品的高位热值(QHHV)。1.4.3 SEM 分析 使用日立 S-3400N 型 SEM,分别使用750 和500 的放大倍率拍摄稻壳和松木屑的表面形貌。1.4.4 FT-IR 分析 使用 Nicolet IS50 型 FT-IR 仪对样品进行分析,采用衰减全反射技术(ATR)
