稻殼熱解碳化過程典型無機元素遷移狀況實驗分析

胡琳琳，張瓊，盧炳湛，梁泱泱，盧偉

(1.廣東省特種設備檢測研究院順德檢測院，廣東 順德 528300；2.南京理工大學能源與動力工程學院，南京 210094)

由于生物質能源的可再生性和其本身具有的碳中和能力，被認為是最終替代化石能源的一種重要的能源類型。稻殼作為我國的一種主要的農產品加工剩余物，利用稻殼作為生物質資源正受到越來越多的關注。我國每年平均產出2 億t稻谷，會伴隨加工產出約4 000萬t稻殼[1-2]。國家每年花費大量人力物力禁止稻殼直接焚燒，造成資源浪費，如果對稻殼進行合理回收利用，這將具有巨大的現實意義。

隨著國內外對生物質能的研究越來越多，生物質的利用方式也變得多樣化，其中熱解技術由于其對反應溫度需求不高，且產品收益率和品質可控，得到了廣泛的應用。熱解碳化技術是生物質熱解中一種重要的利用方式，生物質熱解碳化產物(主要為熱解焦)有較多用途，可用作燃料和肥料，也可制作成活性炭或者化工原料[3-4]。目前，針對生物質熱解碳化大部分的研究都集中于對反應工況和反應裝置的優化，其主要目的是將生物質中大部分有機碳富集于熱解焦產品中，并且根據產品用途，調控其物理化學性質。但是，除了有機元素外，稻殼原料中不可避免會含有一定量的無機元素(Si、K和Cl等)，其中主要來源于 K 和 Cl 的灰分相關問題一直困擾著生物質熱化學轉化領域，因此，研究稻殼熱解碳化過程中典型無機元素的遷移狀況是十分必要的。葉家銘[5]及杜勝磊[6]等研究了稻殼粉末熱解碳化工況下的K元素的遷移特性，發現K元素析出率也不足總量的15%；韓旭[7]等在850 ℃熱解碳化溫度下，得到K元素析出率均在35%左右，同樣的原料，所得數據相差較大，因此，關于稻殼熱解碳化過程中典型無機元素(K和Cl)的遷移特性的研究還需深化。

本文正是基于此，通過搭建固定床反應器，選取稻殼作為生物質原料，詳細研究了反應溫度(300～900 ℃)和時間(10～60 min)對稻殼熱解碳化過程收益率和典型無機元素(K和Cl)遷移狀況的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 原料

本實驗所用原料為稻殼，取自安徽省馬鞍山市，實驗前篩除其中的米粒和破碎稻桿等雜質。稻殼原料工業分析測試按照《固體生物質燃料工業分析方法》(GB/T 28731-2012)進行，元素分析(C、H、O、N和S)采用德國Elementar公司vario EL III型元素分析儀測定，低位熱值通過ZDHW-6A型智能量熱儀測定，原料稻殼的燃料特性測試結果見表1。

表1 原料稻殼的燃料特性分析結果

1.2 實驗裝置和方法

圖1(a)所示為惰性氣氛固定床熱解碳化實驗臺系統流程圖，反應過程惰性氣氛由外接氮氣瓶和流量計控制，稻殼熱解碳化反應在單段式石英管反應器內發生，高溫反應環境由熱解爐提供，反應溫度通過溫控儀耦合熱電偶調控，熱解碳化過程產生的揮發分相通過冷凝瓶收集液相焦油后排出。圖1(b)為一段式石英管反應器，設計管身長為600 mm，管外徑為32 mm，距離上管口200 mm處設置孔板，其上方100 mm區域為熱解區，孔板上孔洞直徑為0.5 mm，盡量均勻密布，確保稻殼不會掉落以及氣相揮發分順利通過，反應器下部連接吸收瓶，熱解氣經吸收瓶處水冷使得焦油冷凝，與氣態產物分離。

圖1 惰性氣氛下固定床熱解碳化實驗臺

加熱前，向石英管反應器內以200 ml/min速率通入氮氣約10 min，保證排除反應器內空氣并保持惰性環境，期間利用洗氣瓶對整個裝置進行氣密測試，防止漏氣以及進入空氣最終影響實驗效果。通過設置溫控儀，熱解碳化溫度分別設為300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃，反應達到目標溫度后繼續保持15 min，反應溫度穩定后，將5 g稻殼樣品快速倒入反應器內，保持溫度熱解1 h。反應后取出反應器在持續通入氮氣氣氛的情況下冷卻至室溫，稱取反應后所得熱解焦收益率，焦油收益率通過稱量反應前后冷凝瓶質量差所得，熱解氣收益率通過差減法得到。

1.3 熱解碳化產物表征

熱解焦的工業分析基于國標《固體生物質燃料工業分析方法》(GB/T 28731-2012)測定，熱解焦和原稻殼中K和Cl含量通過X射線熒光光譜分析(XRF)測定，測試前需將樣品磨碎后并用0.15 mm的篩網篩選，將篩好的粉末放入干燥箱干燥12 h后取出，再利用壓片機制成餅狀。原稻殼中K和Cl的質量含量分別為2.660%和0.555%，熱解碳化后，元素固留率表示為熱解焦中某種元素的含量與熱解焦收益率的乘積占原稻殼中該元素含量的百分比。

2 實驗結果與討論

2.1 熱解碳化參數對熱解焦質量收益率的影響

稻殼熱解焦產率隨反應溫度和時間變化趨勢如圖2所示，由圖2(a)結果可以看出熱解焦的產率隨溫度升高而減小，反應溫度在300～600 ℃區間內，稻殼熱解碳化失重率隨溫度變化較大，而在反應溫度600～900 ℃區間內變化較不明顯。由圖2(b)可知在溫和的反應區間內，反應時間延長促進了稻殼的熱解碳化，這是由于低溫區間內稻殼中的有機組分隨著時間的延長還不斷的發生分解反應，而反應溫度高于600 ℃后，稻殼中大部分有機組分已被分解，反應時間的延長對失重率無明顯影響。

表2所示為稻殼熱解焦工業分析結果，結果發現在一定的反應時間下，稻殼熱解焦中揮發分含量隨著反應溫度的增加顯著降低，灰分和固定碳含量則隨著反應溫度的增加逐漸提高，以反應時間10 min為例，熱解焦中揮發分質量分數從300 ℃的63.04%降低到900 ℃的2.29%，灰分質量分數從300 ℃的15.86%提高到900 ℃的45.04%，固定碳

圖2 稻殼熱解焦產率隨反應溫度和時間變化趨勢表2 稻殼熱解焦工業分析結果

時長/min項目300 ℃400 ℃500 ℃600 ℃700 ℃800 ℃900 ℃10灰分/%揮發分/%固定碳/%15.8663.0421.1026.9936.7736.2435.4920.5144.0041.0114.6444.3544.308.7646.9445.115.2149.6845.042.2952.6720灰分/%揮發分/%固定碳/%16.6162.3920.9927.2335.0637.7034.8020.6144.5840.9614.5244.5246.097.3446.5746.155.1348.7245.962.2951.8630灰分/%揮發分/%固定碳/%17.4264.9017.6827.8534.1737.9936.4920.2843.2341.1015.5143.3945.6410.6843.6747.645.5746.7946.872.3150.8260灰分/%揮發分/%固定碳/%17.4562.7419.8229.6730.0740.2637.3719.4443.1942.2911.9645.7546.509.7243.7847.225.4147.3747.452.2450.31

質量分數從300 ℃的21.10%提高到900 ℃的52.67%。另外，從結果可知，在300～600 ℃溫度區間內，熱解焦工業分析的結果對反應時間較敏感，以400 ℃所得熱解焦為例，其灰分含量從10 min反應時間的26.99%提高到60 min的29.67%，揮發分含量從10 min反應時間的36.77%降低到60 min的30.07%，固定碳含量從10 min反應時間的36.24%提高到60 min的40.26%；而在600～900 ℃區間內，反應時間對熱解焦工業分析結果的影響則較小，該結果與上述關于反應溫度和時間對熱解焦產率的影響較一致。

2.2 熱解碳化參數對熱解焦中Cl遷移特性的影響

圖3所示為稻殼熱解碳化過程中反應溫度和時間對Cl元素固留率的影響，可知Cl元素的釋放析出過程在熱解碳化過程可分為兩個階段，400 ℃反應溫度前后呈現出明顯不同的釋放速率，反應溫度小于400 ℃階段，Cl的釋放率較快，在該溫度段BJ?RKMAN E提出了以下反應：

2KCl+nSiO2+H2O=K2O(SiO2)n+2HCl

(1)

認為低溫區Cl元素釋放可能與生物質中所含高含量的Si元素有關，但吳鵬[8]等所做的此類實驗未得到相應現象。熱解碳化溫度在400 ℃時超過70%的Cl元素已經釋放，大部分伴隨氣相產物析出，當熱解溫度超過400 ℃，Cl的析出量變少，占原料總Cl含量的14%左右，并且析出速度也變慢，本實驗中出現的Cl元素析出兩個階段也與其它文獻所示結果相似。反應溫度大于400 ℃階段，C元素釋放率顯著降低，這一現象在10 min、20 min、30 min和60 min四個反應時間工況下也都是成立的。在討論反應時間對Cl釋放率的影響時，我們發現當熱解溫度在300 ℃時，Cl元素的析出量由10 min反應時間下的46.3%增加至60 min的48.9%，碳化溫度為400 ℃時，由10 min反應時間下的69.6%增加至60 min的71.4%，當碳化溫度≥600 ℃時，再進一步增加反應時間Cl的析出量幾乎不變，此時認為該條件下的氯元素已達到最大釋放限度，由上可知，Cl的釋放速率較快，其受反應時間影響不大，且反

圖3 反應溫度和時間對Cl元素固留率的影響

應溫度越高時氯的析出受反應時間的影響越小，這與唐艷玲[9]等人的研究結果相似，同時也從側面驗證了高溫下氯元素的析出速率隨溫度增長而變慢。

圖4為稻殼失重與Cl元素析出量關系。由圖4(a)的不同反應溫度下稻殼失重—Cl元素固留率對比趨勢圖可以看出，隨著反應溫度增大，Cl元素析出率和稻殼的失重率都呈現出增加的趨勢，二者具有相似的變化規律，可以得出Cl元素的釋放與稻殼失重有關且成正相關關系，由此繪出Cl元素固留率與稻殼失重的擬合曲線如圖4(b)所示。Cl元素固留率與稻殼失重擬合曲線呈現出較好的線性關系，其主要原因是原稻殼中的氯元素多為與有機物結合的有機氯，在低溫熱解碳化過程中有機氯伴隨著有機物的分解轉化為HCl，隨揮發分一同釋放。

圖4 稻殼失重與Cl元素析出量關系

2.3 熱解碳化參數對熱解焦中K遷移特性的影響

圖5為稻殼熱解碳化過程中反應溫度和時間對K元素固留率的影響。由圖5可知，在較低的熱解碳化溫度下(300 ℃)，大部分K元素被固留在熱解焦內，只有約13.8%的K釋放，其主要為有機形態的K，其釋放機制與Cl元素類似，在低溫熱解碳化段有機K隨著樣品有機物的分解而析出，但由于有機K只占總稻殼內鉀含量的10%左右[10]，所以釋放量較少。在400～700 ℃熱解碳化區間內，K元素的固留率變化趨勢隨著反應溫度的增加緩慢增加，此溫度區間內，K的釋放還是以有機K為主，夾帶少量的氣流攜帶；K的釋放過程溫度顯著變化點為700 ℃，在溫度大于700 ℃后K的釋放量顯著增加，此溫度區間內釋放了占鉀總量46%的鉀，這是由于高溫蒸汽壓力升高引起的KOH和KCl的大量釋放，而被分解的K則主要以硅鋁酸鹽(分子式xAl2O3·ySiO2)這類無機物的形態存在于熱解焦中，呈現出一定的穩定狀態。熱解時間對K的釋放特性影響也可從圖5中得到，700 ℃同樣是其變化趨勢轉折點，熱解碳化溫度在700 ℃以下時K的釋放率隨著反應時間的增大而呈現一定的增大的趨勢，在300 ℃的熱解碳化溫度下，反應時間從10 min至60 min時，K的釋放率增加了3.6%，當熱解碳化溫度在500 ℃下，反應時間從10 min至60 min時，K的釋放率增加了3.4%；而當反應溫度大于700 ℃后，反應時間對K的釋放率的影響則可忽略。

圖5 反應溫度和時間對K元素固留率的影響

圖6為稻殼失重與K元素析出曲線溫度的對比圖。在低溫段熱解碳化區間內，K元素的釋放與Cl元素類似，都是隨稻殼內有機物的分解一同析出，說明低溫段K元素的釋放主要是以有機鉀的形式和氣體夾帶釋放為主。當熱解溫度高于700 ℃時，K的釋放主要以KOH(g)和單質K(g)為主[11]，其伴隨熱解碳化氣相產物釋放，在此溫度區間K元素釋放量要明顯多于氯元素，有學者認為，高溫下K的析出方式如下[9]：

K2CO3→ K2O+CO2

(2)

(3)

K2O+H2O → 2KOH

(4)

圖6 稻殼失重與K元素析出曲線溫度對比圖

3 結語

本文通過實驗研究評價了稻殼熱解碳化過程反應溫度和時間對熱解焦產率和典型無機元素(K和Cl)遷移規律的影響特性，結果發現：對于Cl元素而言，其釋放過程反應溫度分界線為400 ℃，溫度在400 ℃以下時，Cl元素釋放較多，達到總Cl含量的70%左右，當溫度達到400 ℃以上時，Cl元素的釋放隨溫度升高變化較小，并且Cl元素的析出與熱解碳化過程的失重率呈現一定的線性關系；對于K元素而言，其釋放過程反應溫度分界線為700 ℃，700 ℃前K元素的釋放速率較慢，當溫度大于700 ℃后，K元素的釋放速率顯著增加。研究表明：在設計熱解碳化設備時，應將反應物溫度設計低于700 ℃，該溫度可保證有機質釋放完畢，且可固化一定程度K和Cl在熱解焦中，避免了其引起的積灰結渣問題。