王 应 宽 2010-03-22 Beijing, China 玉米棒芯的连续微波裂解制取生物油 万益琴 ,2 ，王应宽 2,3 ，刘玉环 1,2 ，林向阳 2,4 ，陈 灵 2 ，阮榕生 1,2* （ 1. 南昌大学生物质转化教育部工程研究中心，南昌， 330047; 2. Center for Biorefining and Department of Bioproducts and Biosystems Engineering, University of Minnesota, 1390 Eckles Ave., St. Paul, MN 55108, USA; 3. 农业部规划设计研究院，北京 100125 ； 4. 福州大学生物科学与工程学院 , 福州 350108 ） 摘 要：生物质能的研究和利用当前备受关注，目前推出的生物质能主要集中在淀粉类发酵制取生物燃料乙醇方面，生物质的热裂解的规模化利用大都还停留在试验探索阶段，但其利用都因成本效益低等因素而具一定的局限性。研究组在生物质批式微波裂解试验研究的基础上，研制出了一套每小时处理 50 -70kg 生物质原料的连续微波裂解设备。利用自行研制的设备，以未处理和经稀酸预处理的玉米棒芯为原料进行微波裂解制取生物油的试验，得到含不同组分的生物油产物。通过 GC-MS 分析，发现用酸预处理过的原料所得的生物油成分较为简单。研究为利用农林废弃物等生物质原料制取生物油提供理论支持和设备参考。 关键词：微波裂解；生物油；玉米棒芯；连续反应装置 中图分类号： S216 文献标识码： A 论文编号： 2009-2191 基金项目：国家自然科学基金（ 30960304 ）；科技部国际合作项目（ 2009DFA61680 ）；江西省科技厅重大科技攻关项目（ 2007BN12100 ）；江西省自然科学基金 2008GZH0047 ；江西省教育厅 2008 年科技计划（ GJJ08030 ）； USUA, USDOE, USDOT, LCCMR, and University of Minnesota IREE 作者简介：万益琴（ 1972 －），女，江西余干人，博士研究生，从事生物质转化能源研究。南昌南昌大学生命科学学院， 330047 。 Email: msyqwan@yahoo.com.cn 通讯作者：阮榕生，男，教授，博士生导师，主要研究方向为生物质加工。南昌 南昌大学生命科学学院，生物质转化教育部工程研究中心， 330047, and University of Minnesota 。 Email: ruanx001@umn.edu Continuous Microwave Assisted Pyrolysis of Corn Cob for Producing Bio-Oil Wan Yiqin 1,2 , Wang Yingkuan 2,3 , Liu Yuhuan 1,2 , Lin Xiangyang 2,4 , Paul Chen 2 , Roger Ruan 1,2 (1. State Key Laboratory of Food Science and Technology, Engineering Research Center for Biomass Conversion, Ministry of Education, Nanchang University, Nanchang 330047, China; 2. Center for Biorefining and Department of Bioproducts and Biosystems Engineering, University of Minnesota, St. Paul, MN 55108, USA; 3. Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China; 4. College of Biological Science and Technology, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China) Abstract ： Research and application of biomass energy are receiving global attention. The existing biomass technologies mainly focused on producing bio-fuel ethanol by fermenting starch-based biomass, and the large-scale exploration of biomass pyrolysis is still at an experimental stage. However, their applications are limited to low cost-efficiency. The authors research group developed a complete set of continuous microwave assisted pyrolysis(MAP) test equipment with a biomass-pyrolyzing capacity of 50 -70 kg /h, based on the previous experimental studies on batch MAP of biomass. The self-developed continuous MAP equipment was used to produce bio-oil from untreated corn cob and corn cob pretreated with dilute sulphuric acid. The bio-oil products with different components were obtained. The analysis shows that compositions of bio-oil produced from corn cob pretreated with dilute sulphuric acid were relatively simpler and less using Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS). The research results provide theoretical basis and test rig reference for producing bio-oil from agricultural and forestry wastes. Key words: microwave assisted pyrolysis, bio-oil, corn cob, continuous pyrolysis equipment 0 引 言 通过生物质能转换技术可高效地利用生物质能源，生产各种清洁能源和化工产品，从而减少人类对于石化能源的依赖，减轻石化能源过度消耗给环境造成的严重污染。目前，世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术 ，以期生产更多可再生的清洁能源，来弥补本国矿物能源资源的不足，甚至作为将来的替代能源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。 生物质热裂解技术是近几十年来发展起来的一种生物质的转换利用技术。热解装置本身以及对反应器的控制直接影响着生物质热解的效果。在生物质热裂解的各种工艺中，研究者们采用了流化床热解装置、真空热裂解装置、涡旋反应装置、旋转锥壳反应装置、烧蚀热裂解装置等。反应器类型和加热方式的选择是各种技术路线的关键环节 。 国内外相继在批式实验的基础上开发出大型的快速裂解反应设备。 1995 年沈阳农业大学在 UNDP 资助下，从荷兰的 BTG 引进一套旋转锥闪速热裂解装置并进行了相关的试验研究，其加工能力为 50 kg /h ，据信该装置是中国乃至亚洲最大的闪速热裂中试设备 。上海理工大学 、华东理工大学 、中国科学院广州能源研究所 、清华大学 、哈尔滨工业大学 、山东理工大学 和浙江大学 等也开展了相关实验研究。国外方面生物质热解技术最初的研究主要集中在欧洲和北美，如加拿大的 Castle Capital 有限公司将 BBC 公司开发的 10 25 kg/h 的橡胶热烧蚀反应器放大后， 建造了 1500 - 2000 kg /h 规模的固体废物热烧蚀裂解反应器 。加拿大 Waterlo 大学开发的 1 -3 kg /h 的流化床反应器 ， Ensyn 公司的 100 kg /h 的工厂级及 1000 kg /h 的商业化热解反应器 ，英国 Aston 大学 和 Egemin 公司 、 美国 Georgia 工学院（ GIT ）开发的携带床反应器 (E ntrained Flow Reactor ) 及荷兰的 Twente 大学 也相继开发了各种生物质裂解装置。 生物质裂解技术虽在近年来得到快速发展，但还面临着许多需要解决的技术难题，例如生物油性能不稳定，其成分随贮存时间和温度而改变，导致黏度增加，达到一定程度时，生物油就会发生相分离 。此外，生物油与碳氢燃料的物理化学性质差别很大，它的高含水量、高含氧量、高黏度、低热值等性质大大阻碍了其作为碳氢燃料的广泛使用，尤其是生物油的高含氧量导致生物油接触到空气很容易粘结变硬。研究人员采用了各种分析手段了解生物油的性质，对生物油进行精制来提高其品质，以满足生物油作为燃料油的要求。由于生物油的独特性质，生物油精制方法的研究开发成了生物质能研究者们面临的主要课题之一 。生物油精制主要包括生物油的催化加氢、气相催化、水蒸气重整、乳化和催化裂解等方面内容 。催化加氢等生物油的精制过程需消耗大量的氢气或其他能源，而且目前生物油的精制技术也只是在实验室中展开，故而前面所述的生物质裂解技术所生产的生物油在未进行深加工的情况下不能直接利用。 本研究组结合自身研究开发的催化微波裂解技术，利用自行研制出一套每小时最大消耗生物质材料 60 kg 的连续微波裂解设备，以玉米棒芯为原料，进行制取生物油的试验研究，并通过 GC-MS 分析，来比较用未经预处理和酸预处理过的原料所得到的生物油成分的异同，探索生物质连续微波裂解反应工艺。 1 试验材料与方法 1.1 裂解装置 （略） 1.2 试验材料及预处理（略） 1.3 裂解试验 （略） 2 试验结果与讨论（略） 3 结 论 本研究在本研究组研究开发的催化微波裂解技术基础上，利用自行研制开发出一套每小时最大消耗生物质材料 60 kg 的连续微波裂设备，以玉米棒芯为原料，成功制得了含不同组分的生物油产物，并通过 GC-MS 分析，发现用酸预处理过的原料所得的生物油成分较为简单，为利用农林废弃物等生物质原料制取生物油提供理论支持和设备参考。进一步的研究和中试将为农林废弃物的资源化利用提供了一条技术经济可行的新途径。 此文发表在中文核心期刊《中国农学通报》 2009 （ 24 ） . 附全文 PDF 玉米棒芯的连续微波裂解制取生物油
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