煤与生物质恒温热解比较研究
李 钢，舒新前，毕东东，丁兆军，张 蕾，张 磊
（中国矿业大学 清洁能源与环境工程研究所，北京 100083）
摘 要：在实验室自制固定床热解反应器中，选择了两种煤（神华煤和灵武煤）和3种生物质（花生壳、核桃壳和木屑）作为实验材料，定量化分析比较了恒温热解和同温热解停留时间对煤与生物质热解产氢及热解油、热解焦产率的影响。研究认为：实验用煤与生物质催化热解表现出基本相同的热解趋势，即提高热解温度和延长热解时间（对生物质添加合适催化剂）都有利于产氢；对煤而言，提高热解温度和延长热解时间还利于热解油生成，但对生物质而言，效果不很明显。 关键词：农业工程；生物质；试验；煤；恒温；热解；氢气
中图分类号：S216 文献标识码：A 文章编号：1003─188X(2007)11─0155─04
0 引言
煤是我国最主要的能源，但是长期以直接燃烧利用为主，造成环境污染。考虑煤所含有的有机组分，直接燃烧并不能发挥其最大潜能，而热解作为一种煤清洁利用的重要方式可使其产品利用更加有效（因为煤热解后的产物不但产生含氢可燃气，还包括热解油和高活性固体热解焦）[1]。生物质是一种可再生资源，其能源化利用亦受到关注，常规技术有气化、燃烧和水解等。生物质热解也是一种将生物质转化为富氢燃料气的有效转化技术
[2]
对恒温热解和热解停留时间对热解产物影响的定量分析却不多见。本文主要讨论了煤和生物质分别在600℃，700℃，800℃3个不同恒定温度下热解（实验开始后，以较高的升温速率升至所需温度后保持一定时间），研究比较了热解后产生氢气的产率、产量随停留时间的变化规律及热解油、热解焦产率分布情况。
1 实验概况
选择神华煤（产地：陕西省神木县）和灵武煤（产地：宁夏回族自治区灵武市）进行试验。煤样粒度范围控制在3mm左右。工业分析、元素分析如表1所示。两种煤的灰分、硫分较低，属高挥发分烟煤。
元素分析
。
在对煤和生物质的热解研究中，国内外学者目前对其催化热解机理、升温速率影响、混烧方式以及反应动力学等已经进行了较多地研究[3～11]，但是
工业分析
Mad
神华煤 灵武煤
8.08 6.24
Ad 3.30 6.29
Vdaf 37.80 34.36
FCd 59.79 61.51
表1 实验煤样的工业分析和元素分析 wt%
样品
Std 0.32 0.78
C 78.09 79.33
H 5.03 4.55
N 0.80 0.73
O
15.76 15.39
生物质选择核桃壳、花生壳、木屑3种农林废弃物为原料进行热解。实验前对各实验样品进行破碎，然后进行预筛分。核桃壳、花生壳粒度范围控制在3～5mm，木屑粒度范围控制在0.5～1.0mm。核桃壳、花生壳、木屑的工业分析结果如表2所示。3
收稿日期：2007-02-26
基金项目：国家自然科学基金重大研究计划项目（90610014）；北
京市教委重点学科资助项目（XK102900477）
作者简介：李 钢（1978-）,男，河北唐山人，博士生，(E-mail)
gang_li333@126.com。
通讯作者：舒新前（1963-），男，陕西城固人，教授，博士生导师，
(E-mail)shuxinqian@126.com
种样品的水分，都在5%左右。但是灰分则有较大差别，木屑灰分仅1%左右，花生壳3.73%，花生壳灰分则高达10%；挥发分总体较高，都在60%以上。
实验在固定床热解反应管式炉密闭环境下进行热解。所有实验物料统一为20g。具体实验流程可参考文献[12,13]。气体分析装置为SP2100型气相色谱仪，色谱条件为：
检测器：热导检测器(TCD)
载气：氦气、氮气，流速30mL/min
标气：49.20%H2，14.90%CH4，14.90%CO，
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20.00%CO2，0.98%C2H4
色谱柱：GDX502，内径3mm，柱长为5m填充柱；5A分子筛，内径3mm，柱长3m填充柱 柱箱温度℃/：70 进样器/℃：100 TCD/℃：100 桥流/mA：174 热丝/℃：190 色谱柱在运行一段时间后进行活化。 表2 实验生物质样品的工业分析 wt% 样品 水分（Mad） 核桃壳 花生壳 木屑 5.06 4.76 4.38 工业分析 挥发分（Vdaf）灰分（Ad）3.73 10.05 1.11 75.54 62.95 84.35 气产量随恒温停留时间的变化。
氢气产率V/V/% 6050 40 30 20 10 00 600℃ 700℃ 800℃ 2 7 17 停留时间/min 图1 神华煤热解产气中氢气产率随恒温停留时间变化规律 氢气产率V/V/% 60 50 40 30 20 10 00 600℃700℃ 800℃ 本文中所提到的催化剂指占试验物料质量2%的MnO2，在进行催化热解实验时，催化剂必须均匀地分散在实验样品中。 2 7 停留时间/min 17 图2 灵武煤热解产气中氢气产率随恒温停留时间变化规律 2 实验结果分析 2.1 氢气产率、产量随物料恒温停留时间的变化 图1和图2分别为神华煤样与灵武煤样热解产气中氢气产率随600℃，700℃，800℃3个恒定温度停留时间的变化规律。表3表示的是热解产气中氢停留时间/min 0～2 2～7 7～17 Σ
恒温600℃ 38.503 21.254 66.292 126.049
神华煤 恒温700℃ 121.924 61.127 97.956 281.007
从图1和图2中可以看出，两种实验煤样表现出相同的热解趋势，即恒定热解温度提高和在同一恒定热解温度下停留时间延长都会有利于氢气产生。热解温度每升高100℃，则氢气产率提高10%～20%左右；在恒温800℃，热解17min条件下都有最大氢气产量，分别是369.886mL和389.233mL。 表3 煤热解产气中氢气产量随恒温停留时间产量变化 mL 灵武煤 恒温800℃ 149.777 99.972 120.137 369.886
恒温600℃ 24.819 17.828 28.565 71.212
恒温700℃ 85.091 60.596 95.243 240.929 700℃
700℃加催化剂 恒温800℃ 127.641 129.021 132.572 389.233 800℃
800℃加催化剂
2.2 生物质热解后氢气产率、产量随物料恒温停留
氢气产率V/V/% 600℃
600℃加催化剂50403020100
0 时间的变化
图3～图5分别是核桃壳、花生壳、木屑在无热解产气中氢气催化剂及2%的MnO2存在的情况下，产率随恒温停留时间的变化规律。
氢气产率V/V/% 600℃
600℃加催化剂 35 30 25 20 15 10 5 0 0
2
7
17
停留时间/min
图3 核桃壳热解产气中氢气产率随恒温停留时间变化规律
700℃
700℃加催化剂
800℃800℃加催化剂
2 7 停留时间/min
17
图4 花生壳热解产气中氢气产率随恒温停留时间变化规律
800℃700℃ 600℃ 700℃加催化剂 800℃加催化剂600℃加催化剂
氢气产率V/V/% 35302520151050
0 2 7 17 停留时间/min
图5 木屑热解产气中氢气产率随恒温停留时间变化规律
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由图3～图5中可以看出，无论催化剂存在与否，氢气产率都随恒温停留时间的延长而升高；而恒温热解温度提高，几种生物质热解产气中的氢气产率也会提高。在2%二氧化锰作为催化剂存在情况下，在相同热解温度条件，氢气浓度也都比不添加催化剂时要高。所以，提高恒温热解温度、适当延长物料恒温热解停留时间和添加合适催化剂，都是
停留时间 /min 0～2 2～7 7～17 Σ 恒温600℃ 4.367 5.680 11.274 21.321 比较有效地提高生物质热解产氢的方式。
表4～表6分别为核桃壳、花生壳、木屑在无催化剂及2% MnO2存在情况下，其热解产气中氢气产量随恒温停留时间变化规律。从表4～表6中可以看出，无论催化剂存在与否，热解终温越高，氢气产量越高。对同一恒温热解温度而言，添加合适催化剂有利于提高氢气产量。
表4 核桃壳热解产气中氢气产量随恒温停留时间产量变化 mL
无催化剂 恒温700℃ 18.645 27.285 15.110 61.040 恒温800℃ 31.488 35.869 47.103 114.46 恒温600℃ 14.934 11.972 11.598 38.504 有催化剂 恒温700℃ 22.979 18.999 35.804 77.782 恒温800℃ 34.559 37.596 49.020 121.175 表5 花生壳热解产气中氢气产量随恒温停留时间产量变化 mL 停留时间/min 0～2 2～7 7～17 Σ 恒温600℃ 14.768 15.743 28.773 59.284 无催化剂 恒温700℃ 46.059 57.909 62.539 166.507 恒温800℃ 44.074 49.148 53.711 146.933 恒温600℃ 20.311 22.851 27.933 71.095 有催化剂 恒温700℃ 55.311 44.903 39.375 139.589 恒温800℃ 65.65 85.975 91.875 243.5 表6 木屑热解产气中氢气产量随恒温停留时间产量变化 mL 停留时间 /min 0～2 2～7 7～17 Σ 恒温600℃ 14.495 6.005 11.247 31.747 无催化剂 恒温700℃ 19.331 22.047 21.537 62.915 恒温800℃ 35.345 40.088 42.288 117.721 恒温600℃ 24.261 21.052 26.993 72.306 有催化剂 恒温700℃ 49.980 60.666 70.371 181.017 恒温800°C 36.388 43.292 54.823 134.503 2.3 煤与生物质恒温催化热解制备热解油、热解焦产率比较 煤热解液相、固相产率比较，如表7所示。 表7 煤热解液相、固相产率比较 wt% 液相产率
恒温600℃ 8.00 72.54
神华煤 恒温700℃ 8.50 67.50
恒温800℃ 10.00 66.04
恒温600℃ 2.00 76.70
灵武煤 恒温700℃ 2.70 69.21
恒温800℃ 3.00 67.28
固相产率
由表7可以看出，随着热解温度的提升，两种实验煤样热解后液相产物产率逐步上升，而固相产率都呈现下降趋势，即增加热解温度有利于热解油的生成。
表8表示3种生物质热解固、液相产率情况。
可见因生物质不同，热解温度变化和催化剂存在与否在一定程度上都影响热解后固、液相产物的分布规律。其中，固相产率（无论是否添加催化剂）受热解温度影响相对较小；液相产率变化规律较为复杂，文献[12]的结论表明液相产物产率在某种程度
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2007年11月 农 机 化 研 究 第11期 上与热解入料挥发分呈对应关系，即挥发份高的原
料会产生较多的热解油。
表8 实验生物质热解液相、固相产率比较 wt%
核桃壳
恒温600℃ 42.50 35.50 40.51 26.88 31.03 23.10
恒温700℃ 36.50 28.00 35.50 27.29 30.65 20.63
恒温800℃ 42.00 38.20 44.99 26.47 29.38 26.46
液相产率 花生壳 木屑 核桃壳
固相产率 花生壳 木屑
3 结论
生物质在不同恒定热解温度下热解产氢1) 煤、
特性。恒温热解温度变化对实验用煤和生物质热解产气中氢气产率和产量产生的影响基本相同：即恒温热解温度越高氢气产率也较高；延长在某一热解温度下停留时间，一定程度上有助于氢气产率提高，但是不如提高热解温度后氢气产率增加的明显。而对生物质而言，同一温度，同种样品在有催化剂存在情况下恒温热解产气中氢气产率、产量与未添加催化剂相比要高。
2) 煤、生物质在不同恒定热解温度下热解油、热解焦产率比较。对实验用煤而言，提高热解温度和延长热解时间都利于提高热解油产率；对生物质而言，由于各种生物质成分差异，热解温度变化和催化剂存在与否对热解后固、液相产物分布情况的影响较为复杂。其中，固相产率（无论是否添加催化剂）受热解温度的影响相对较小，液相产物产率变化情况还有待于进一步研究。
综上，实验用煤与生物质通过催化热解表现出基本相同的热解趋势。所以，以现有较成熟的煤热解工艺设备来进行生物质热解生产是可行的。又因为生物质具有可再生性强、来源广、数量多等特点，所以只要选择合适的催化剂种类，通过催化热解转化生产富氢燃料气、生物油、热解焦等产品，可以成为我国能源供应的有益补充。 参考文献：
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恒温600℃ 34.99 28.49 26.00 26.60 29.91 23.10
无催化剂 有催化剂 恒温700℃ 44.00 29.50 42.50 25.91 30.90 22.24
恒温800°C
42.01 37.00 41.99 26.47 28.86 22.59
2007年11月 农 机 化 研 究 第11期 可以一次性完成薯土分离和薯秧分离，具有结构简单、省工省时、挖掘薯块完好、薯块摆放整齐和使用可靠等优点。
2) 随着拖拉机牵引功率的增加，可以考虑设计多行马铃薯挖掘机，本机的设计和试验数据对多行马铃薯挖掘机的设计具有参考和借鉴作用。
Research on the Design and Test of the Potato Harvester
YANG Shi-cheng, AN Hong-yu
（Zhangjiakou Vocational College of Technology, Zhangjiakou 075000, China）
Abstract: Being directed against the problems of the great potato-growing areas，the problems which potatoes is failed or inefficient to gather in and damaged serious by livestock plough ,and the potato harvester bought from other places can not apply to the local grow methods .So the potato harvester is designed .The machine can excavate potatoes from soil, and separate potatoes from soil, from potato vines. The partial crux parts of the machine are designed. Work function of the prototype in maize stubble and potato fields is researched and test .The test results meet use demands of local peasant .The test data is used in the design of multiple lines potato harvester for reference.
Key words: agricultural engineering; potato harvester; experiment; dig spade
（上接第158页）
Abstract ID: 1003-188X (2007)11-0155-EA
Comparison on Pyrolysis of Coal and Biomass under Constant
Temperature
LI Gang, SHU Xin-qian, BI Dong-dong, DING Zhao-jun, ZHANG Lei, ZHANG Lei
（Institute of Clean Energy and Environmental Engineering, China University of Mining &Technology, Beijing 100083, China）
Abstract: On the background of a laboratory fixed bed reactor, two kinds of coal and three biomass, like peanut shell, walnut shell and sawdust are selected as experimental materials, quantitative analyzed pyrolysis constant temperature and residence time effect on the yield of pyrolysis liquid fraction, char and gas in this paper. The results indicate: Pyrolysis of the above two coal samples and three biomass show the same trend. Higher pyrolysis temperature and longer pyrolysis time (suitable catalysts for biomass) contribute to hydrogen production. For coal, increasing pyrolysis temperature and putting off residence time help to produce the pyrolysis oil yield, but the biomass, not obvious effect.
Keywords: agricultural engineering; biomass; experiment; coal; constant temperature; pyrolysis; hydrogen （上接第160页）
[7] 曹浪财,罗 键,李天成.智能蚂蚁算法—蚁群算
法的改进[J].计算机应用研究,2003(10):62-64.
Abstract ID: 1003-188X (2007)11-0159-EA
Studying on the Optimal Energy-saving Arithmetic in Close Corporation
Breed Aquatics Conditioning System
XING Wei
(Guangzhou Traffic Vocational Technology College, Guangzhou 510800, China)
Abstract: In terms of this algorithm applied in air-conditioning system optimizing would appear local optimal solutions, this paper proposes using both Metropolis criterion and Analog-Anneal algorithm to improve overall optimal ability, and analysis the algorithm convergency, provides the conditions of convergence to probability one. A supermarket air-conditioning optimizing system instance confirms the algorithm apply results. It shows that this system energy saving rate may be up to 25%.
Key words: auto-control technology; conditioning storehouse system; experiment; optimize; energy-saving
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