量模块，测量热解气中的Ｈ２浓度，样气流量为２ｕ 要求共设置了１２组试验，热解停留时间根据取样枪
ＩＩｌｉｎ。沿恒温沉降炉垂直段均匀部置ｌＯ个烟气温度
沿气流行程不同位置和气流平均流速计算得出。所
测点及两个炉壁温测点，用于测量实验炉内温度分 有工况的载气均为纯度９９．９９９％氮气，流量５０Ｌ，
布；全部采用Ｓ型铂铑快速测温热电偶，测量范围： ２０。１６００℃，允差≤±５℃。
０
木屑０．０８１２ ０．０１０６ ０．０１３６ ０．００８９
０
Ｏ
２．２燃料种类对气相产物组分的影响 热解气相产物的组成随燃料种类的不同有一定
差别，煤粉快速热解气相产物组分分布与生物质的 差别较大，试验结果显示煤粉快速热解最终的气相 产物组分中氢含量在所有成分中所占比例最高，其 次是ＣＯ，Ｃ心和Ｃ０２。３种生物质最终的热解气相 产物组分中，ＣＯ最高，Ｈ２次之，这与煤粉快速热解 的结果相反。图３为４种燃料在１０００℃快速热解气 相产物中ｃＯ、Ｈ２、ＣＨ４和Ｃ０２组分分布随热解停留 时间的变化规律。煤粉热解气相产物中甲烷的比例 高于３种生物质，在第一个取样点甲烷比例达到 １５％，到第４个取样点由于高温二次分解反应，减小
１１１ｉｎ；给料量均为１０９，ｌＴｌｉｎ。根据文献［９一１１］的研究 结果，当颗粒进入沉降炉后，在５伽距离内就可以达
４种燃料的工业分析及元素分析见表ｌ。在实
验室将３种生物质物料破碎到平均粒径≤０．８姗。
到气流温度，并且维持不变。本试验４种物料的升 温速率均达到１．ｏ×１０４℃以上，符合快速热解的试
表ｌ试验物料的工业分析及元素分析（空气干燥基．％）
含有更多灰分，灰分中的一些无机成分能够促进碳
化反应，增加焦炭的产率并降低气相产率［１３’１４Ｉ，这可
能是稻壳热解气相产率低于秸秆的重要原因。
表２生物质和煤粉快速热解气相产率的对比 Ｔ铀Ｉｅ ２ Ｃ（粕ｐａｒｉ舯ｎ ｂｅｔ’ｖ∞ｎ ｐｏｄＩＪｄ ｇ皓ｅｍｃｉ朗ｃｙ舶ｍ
妇ｐＩｙｍｌ）ｒｓｉ８ ｏｆ ｔｅｓｔｅｄ ｂｉｏｍａ鹪锄ｄ ｃｏａｌ
由于３种生物质成分中Ｓ含量低，在快速热解 过程过程中析出的含硫物质极少，煤相对生物质高 的含硫量导致其在热解过程中Ｈ２ｓ的析出。生物质 和煤粉都能检测到ＮＯ、ＨＣＮ的生成。生物质由于 成分中氧含量高，其在热解过程中析出的氮前驱物 被更多的氧化生成ＮＯ，这是生物质热解比煤粉生成
万方数据
１１期
吴少华等：生物质快速热解气相成分析出规律
本文采用恒温沉降炉试验台对氮气气氛下稻 壳、秸秆、木屑在９００、１０００、１１００℃快速热解过程进 行试验，将结果与一种烟煤煤粉在相同条件下的快 速热解结果进行对比，对生物质快速热解气相产物 的析出特性和规律进行研究，为进一步分析和研究 再燃降低ＮＯ。排放技术提供基础数据。
１实验装置及方法
１．１试验装置 图ｌ为恒温沉降炉实验台系统简图，采用水平
１５５７
更多ＮＯ的原因。在４种燃料的快速热解气相组分
中都没有发现ｍ的生成。刘美蓉等ｎ５Ｊ在对中国
和澳大利亚的几种煤、焦在沉降炉上采用Ｃ０２和水 蒸气气化，对生成ＮＯ。前驱物ＨＣＮ和ＮＨ３进行的 研究中发现：煤在６００。９００℃气化过程中ＨｃＮ、Ｎ地
都有析出，在同样条件下对煤焦进行气化，用离子色 谱未检测到ＨｃＮ，仅有ＮＨ３的生成。冯志华等ｕ６Ｊ对 煤快速热解前驱物的生成进行了试验研究，认为挥 发分对ＨｃＮ和ＮＨ的生成有极其重要的作用，其 中的含氮官能团与热解生成的氢自由基的反应，大 部分直接生成ＨＣＮ。Ａｈｏ［１７１认为氨的生成，部分来 源于高温下ＨｃＮ的二次分解。Ｃｈ硼．压ｕ Ｕ【ｌ副的试 验结果证实快速热解气相产物中的氮前驱物主要是 ＨｃＮ。结合从往文献分析可以得出结论：生物质和 煤粉在快速热解极短的停留时间内，其析出的气相 产物中氮的前驱物为ＨＣＮ，ＮＨ是焦炭气化的产物。
通讯作者：栾积毅（１９６８一），男。博上研究生，主要从事生物质冉燃方面的研究。ｌｕ跏ｊｙ＠妇．幽．ａＩ
万方数据
ｌｌ期
吴少华等：生物质快速热解气相成分析出规律
１５５５
图ｌ试验台系统简图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈ叫谢ｃ ｄｉａ印珊０ｆ ｅｌｅｃ而ｃａｌｌｙ ｌｌｅ曲ｅｄ ｄｍｐ ｔＩｌｂｅ向ｍ黜
ｍ、Ｓ０２、ＣｏＳ浓度。兀ｍ采用傅立叶变换红外分 实验过程中，随热解物料的喷入，垂直段入口处的温
在本试验中的快速热解条件下，短的停留时间及大
的载气量限制了焦炭与气相产物的二次反应，因此
ｍ没有在气相产物中出现。忽略燃料中部分有机
氮直接转化成Ｎ２，试验检测到的ＮＯ、ＨＣＮ可以认为
是燃料氮在热解过程中转化成的挥发分氮。
表３
删ｅ
３ｌ‰舯盹妇快速脚热ｇ解ａ条ｓ件）ｒ下ｉ的讹其它胁气鼬糨组ｍ分豳析ｏ出ｆ量ｔ（ｅⅡｓｒｔ础ｅｇ）ｄ
№．２
图２ １０００℃快速热解气相产量对比
ＣＯＩＩ】ｐ日Ｉｒｉ舯ｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐＩＤｄｕ｜ｃｔ笋ｙｉｅｌ凼鼬ｎ妇肿槲ｙｓｉ８
０ｆｔｅｓｔｅｄ ｂｉｏｍａ鸥ａｔ １０００℃
气相产率高，３种生物质的Ｈ／Ｃ分别为：秸秆０．１１８；
稻壳ｏ．１２２；木屑０．１４９。木屑由于Ｈ，ｃ高，在热解
过程中气相产率最高。秸秆、稻壳两种农业废弃物
第３０卷第１１期 ２００９年１１月
太阳能学报
ＡＣＴＡ ＥＮＥＲＧＩＡＥ ＳＯＬ＾ＲＩＳ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．３０．Ｎｏ．１１ Ｎ０ｖ．。２００９
生物质快速热解气相成分析出规律
吴少华，栾积毅，孙 锐，姚 娜
（哈尔滨工业大学燃烧工程研究所，哈尔滨１５０００１）
摘要：利用恒温沉降炉对秸秆、稻壳、木屑及一种烟煤煤粉在９００、１０００、１１００℃３个温度进行了快速热解试验，对
影响快速热解的参数较多，本试验考虑了物料
间选ｌ～３００ｓ；误差范围标定量程的２％；同时定量 种类、热解温度和颗粒停留时间这３个最重要的参
显示５０种气体组分的分析结果。通过加装氧化锆 数。采用４种物料：秸秆、稻壳、木屑和一种烟煤煤
检测器，测量气氛中的氧量；采用热导原理的Ｈ２测 粉；３个热解温度水平：９∞、１０００、ｌｌｏｏ℃。根据试验
几种燃料热解过程中检测到的Ｃ２ Ｈ４、ｃ２ Ｈ６成分 含量很低，Ｃ２地、Ｃ２ Ｈ６随热解停留时间的变化规律 与甲烷一致，这是由于在高温条件下的二次反应使 得较大分子的化学键断裂，形成较小分子的粉热 解气中除检测到上述３种物质外，还可以检测到 Ｈ’ｓ。生物质和煤粉的热解气相产物中都没检测到 ＮＨ３和ｓ０２。表３为煤粉和生物质在１０００℃快速热 解条件下的其他气相组分析出量，取第４取样点的 数据。
析原理，直接采样，在线定性、定量分析。Ｇｉ觯干涉 度会发生一定的降低，可以通过调整上段电加热器
仪的分辨率８锄～；扫描速度ｌｏ次／ｓ；检测器Ｐｅｌｔｉｅｒ 加热功率来保证温度分布。
制冷ＭＣＩ＇；波长范围９００～４２００ｃｍ～；样气室工作温 １．２分析方法
度１８０℃；多次反射光程５．０ｍ；体积１．０７Ｌ；测量时
段丙烷燃烧及垂直段电加热将恒温沉降炉垂直段加 热到实验设定的温度条件。
关闭丙烷燃烧器，将丙烷燃气管路切换成氮气， 流量４０Ｌ，ＩＩｌｉｎ，依靠电加热维持垂直段的温度分布。 垂直段电加热采用上下两段温控，以保证垂直段有 效试验区域的温度分布维持在设定温度的±２０℃范 围内并稳定。启动顶部给粉机，同时开启给粉机出 口引射器的氮气流量控制装置，控制氮气流量为 １０Ｌ／“ｎ。粉状物料经螺旋给粉机送入引射器，被氮 气流吹散并携带，进入沉降炉垂直段，与水平段预热 后的氮气混合，开始热解过程。两路氮气流量控制 均采用质量流量控制器，型号为Ｄｃｒ７．９Ｅ；工作压差 ０．１～Ｏ．３ＭＰａ；准确度±２％Ｆ．Ｓ；精度±２％Ｆ．Ｓ。延 试验炉轴向自上而下均布６个取样点，第一取样点
燃料的成分是导致气相产物产量的差别的一个 重要原因。对于煤粉与生物质两类不同的燃料，煤 粉高的炭含量、极低的氧含量及Ｈ／Ｃ，决定了煤粉在 快速热解过程中产生比生物低的气相产率。表２为 几种燃料热解气相产率对比，煤粉仅在１１００℃快速 热解气相产率超过２０％，生物质的气相产率都超过 ６０％。３种生物质中，挥发分、氧、Ｈ／ｃ高，其相应的
ｂｉ∞嘲ａｎｄ ｃｏａｌ ａｔ １０００℃（叫一，ｇ）
Ｑ Ｈ． Ｑ Ｈ６
ＮＯ
ＨＣＮ
ＣＯＳ
如Ｓ ｍ
煤粉０．０１００ Ｏ．００回Ｏ．００２９ Ｏ．０Ｑ５４ Ｏ．０００８ Ｏ．０２２３
秸秆Ｏ．０４１７ Ｏ．００３３ Ｏ．００４１ Ｏ．０２４５ ０．０００５
Ｏ
稻壳Ｏ．０５０５ Ｏ．０１６２ Ｏ．Ｏｌｌ３ ０．０２２４ Ｏ．０００３
叫ｅ １ ＰｒＤ血１日ｔｅ ａｎｄ Ｉｌｌｔｉ眦ａ耐ｙ８ｉｓ Ｍ ｏｆｔｅ８ｔｅｄ ｓａｌＩｌｐｌ鹤
验要求。 气体产量采用Ｎ２平衡计算㈦，忽略生物质及
肘一 ‰ Ａ一 ［ｃ］柚［Ｈ］耐［Ｎ］耐［ｓ］ｄ［ｏ］ｄ
煤粉中极少量有机氮形成Ｎ２的可能：
丙矗：盖瓦＝∑ｙｉ４ １
Ｑ也＋Ｑ也ｏ＋Ｑｃ蕾一么Ｊ
式中，Ｑ％——氮气载气的流量，Ｌ／ｒｎｉｎ（标准状况）；
距燃料喷人点２８０咖，各取样点问距２８０咖。实验
过程中采用便携Ｆ１１Ｒ在线检测不同停留时间热 解气中的ｃＯ、ｃ０２、ｃＨ４、Ｑ地、Ｃ２ Ｈ６、ＮＯ、Ｎ０２、ＨＣＮ、
收稿日期：２００８舾—０６
基金项目：国家蚕点肇础研究发展（９ｒ７３）计划（２００６ｃＢ２００３０３）；２００５年度教育部新世纪优秀人才支持计划项目（ＮｃＥＴ：舾．０３３６）
式中，Ｑ——气相组分中第ｉ种气相成分的产量，
ｍｍｏｌ／ｇ。
气相产率为：
１７Ｇ。＝２二Ｑｉ×肘ｆ×ｏ．Ｉ％ 式中，尬——热解气中ｉ成分的分子量。
２试验结果及分析
２．１燃料种类对气相产物产量的影响 恒温沉降炉快速热解过程中，燃料颗粒是均匀
分布在氮气流中，并随气流移动形成燃料颗粒流。 燃料颗粒的气相和固相热解产物在氮气载气中的浓 度低，在这种条件下，颗粒与析出气相组分由于气相 滞留导致二次反应是有限的，仅考虑气态烃类的高 温分解，因此试验能准确反映燃料颗粒的热解过程。 燃料快速热解过程中析出的气相物质主要是挥发 分、部分水分和焦油。对于本试验中采用的温度，焦 油在挥发的过程中迅速裂解成轻质烃等不凝性气相 组分，试验结果显示在快速热解气相产物中的烃类 组分主要是ｃＨ、Ｃ２ Ｈ４、Ｃ２ Ｈ６。水分不作为气相产物 组分考虑，试验中检测到的气相产物组分除前面提 及的３种轻质烃类，还包括：ＣＯ、Ｃｑ、Ｈ２、ＮＯ、ＨＣＮ、 ｃ０Ｓ、Ｈ２Ｓ等。图２为生物质和煤粉在１０００℃快速热 解气相产量的对比。生物质快速热解气相产物产量 明显高于煤粉，木屑的气相产物产量最多，秸秆次 之，稻壳最低。