CN109251754A - 一种电解强化生物质热裂解小型实验装置及热裂解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解强化生物质热裂解小型实验装置及热裂解方法，包括反应釜、阳极电极、阴极电极及可调控电源，所述反应釜外侧设有外热式加热夹套，所述阳极电极及阴极电极设置在反应釜内，并通过导线与可调控电源相连；所述反应釜顶部在阳极电极位置处设有电机旋转式进料口，所述反应釜顶部在靠近进料口的位置设有出气口。本发明有益的效果是：实现了热裂解与电化学反应的耦合，能够有效改善热解反应产品质量与产率，具有控温方便、电压可调、结构简单、节能环保等优点，适用于秸秆、木屑、稻壳、沼渣等多种生物质原料的热化学转化。
Description
技术领域
本发明涉及生物质热解技术领域，具体涉及一种电解强化生物质热裂解小型实验装置及热裂解方法。
背景技术
生物质能作为一种可再生能源，在能源结构中的地位日益重要，将成为本世纪的重要能源之一。我国生物质资源相当丰富，年产量接近50亿吨，其中农作物废弃秸秆产量超过9亿吨，加工副产物近5.8亿吨，但其资源利用率平均不到40%。这些农业废弃物如果得不到妥善处理，不仅造成生物质能源的大量浪费，甚至造成严重的环境污染。因此，资源化利用生物质和农业废弃物的相关研究愈发受到关注。
目前，生物质作为能源用途的转化方法主要包括直接燃烧、固化成型、热化学转化、生物化学转化等四大类技术，其中热化学转化技术可以将生物质直接转化为气体和液体烃类燃料。现有热化学转化方法可分为气化、热解和直接液化等。生物质热解是一种在无氧高温条件下，利用热能将生物质大分子转化为生物炭、裂解液和裂解气的过程，具有基础投资少，能耗低，转化时间短等优势。尽管国内外对生物质热解技术已开展大量研究，但至今仍未形成可满足生产要求的新技术，研究尚处于中试或示范性试验阶段。这是因为生物质热解产物氧含量过高且种类复杂，主要原因是生物质氧含量过高，氢含量不足，且大量氧原子通过与氢结合生成水，造成产物能量水平下降。因此，生物质在热解时，氧原子与碳或氢原子的结合形式，成为控制热解产物品质的关键。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了灵活方便、结构简单的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置及热裂解方法。
本发明的技术方案如下：
一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，包括反应釜、阳极电极、阴极电极及可调控电源，所述反应釜外侧设有外热式加热夹套，所述阳极电极及阴极电极设置在反应釜内，并通过导线与可调控电源相连；所述反应釜顶部在靠近阳极电极位置处设有电机旋转式进料口，所述电机旋转式进料口底部设有氮气进气口，所述反应釜顶部在靠近电机旋转式进料口的位置设有出气口，所述出气口通过管路外接冷凝装置或集气装置。
所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述电机旋转式进料口包括密封原料仓、可调控电机及齿轮泵，所述齿轮泵设置在密封原料仓内，所述可调控电机与齿轮泵传动连接。
所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述反应釜内设有热电偶，所述热电偶外接温度感应器。
所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述反应釜包括外层及内层，所述外层采用不锈钢，内层采用陶瓷内衬。
所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述热电偶外侧设有保护套，所述保护套采用刚玉保护套。
所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述阳极电极及阴极电极均采用石墨电极。
所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述阳极电极及阴极电极与可调控电源相连的导线的外侧设有密封圈。
所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述外热式加热夹套通过导线连接温度控制器。
所述的一种基于电解强化生物质热裂解小型实验装置的热裂解方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）以质量比为1-3:1:0.16-7的Li2CO3、Na2CO3和K2CO3混合熔盐作为介质，预先加入反应釜内；手动设定温度控制器，并在N2氛围下以8-12℃/min升温速率加热至400-600℃，保持恒温25-35min。
2）接通可调控电源，并设定通电电压为4-6V；
3）取8-12g生物质原料粉末加入密封原料仓，通过电机旋转式进料口匀速进料并密封，进行反应，反应后所生成的高温蒸汽经由出气口进入后续冷凝装置或集气装置。
所述的一种基于电解强化生物质热裂解小型实验装置的热裂解方法，其特征在于，步骤1）中Li2CO3、Na2CO3和K2CO3的质量比为1:1:1.3。
本发明有益的效果是：实现了热裂解与电化学反应的耦合，能够有效改善热解反应产品质量与产率，具有控温方便、电压可调、结构简单、占地面积小、节能环保等优点，适用于秸秆、木屑、稻壳、沼渣等多种生物质原料的热化学转化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为电机旋转式进料口的结构示意图；
图中：1-可调控电源，2-电机旋转式进料口，3-氮气进气口，4-出气口，5-热电偶，6-保护套，7-阴极电极，8-阳极电极，9-陶瓷内衬，10-反应釜，11-外热式加热夹套，12-温度控制器，13-密封原料仓，14-可调控电机，15齿轮泵。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
如图1-2所示，一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，包括可调控电源1、电机旋转式进料口2、氮气进气口3、出气口/4、热电偶5、保护套6、阴极电极7、阳极电极8、陶瓷内衬9、反应釜10、外热式加热夹套11、温度控制器12、密封原料仓13，可调控电机14及齿轮泵15。
采用外热式加热夹套11，反应釜10外层为不锈钢，实现高效传热并保证气密性，内层为陶瓷内衬9保证绝缘，并防止电腐蚀不锈钢层，使用熔融态碳酸盐作热介质与导电介质，石墨作阴阳电极，与外界可调控电源1相联，电源电压、电流均可自行设定。热电偶5与温度感应器相联，用于实时测温；保护套6为刚玉材质，保证绝缘。如图2所示，电机旋转式进料口2采用电机旋转式进料，电机旋转式进料口2底部设有氮气进气口3，上端为密封原料仓13，由可调控电机14带动齿轮泵15，实现均匀进料，进料口2靠近阳极，利于电化学氧化反应的发生，反应所生成的高温蒸汽经由出气口4进入后续冷凝装置或集气装置。
该实验装置，选用一定比例的Li2CO3、Na2CO3和K2CO3混合盐作为加热介质和电解液，可通过调变3种盐的比例，改变混盐的熔点与分解温度，且熔盐具有导热系数大、热容量大、热稳定性高的特点，便于精确控温（±1℃），减小反应过程中的温度波动。相关研究表明，熔融盐能有效提高生物质原料转化率和脱羧效果，但生物质原料中所含大量甲氧基、酚羟基和醚键官能团，在熔融盐热解体系中因不易直接脱氧而残留在芳环上，造成产物中含氧化合物种类多且难以分离，烃类产率下降。同时，熔盐作为一种高温离子液体，具有导电率高、溶解能力高、粘度低的特点，有利于生物质的扩散与电解反应的发生。利用熔盐的高导电性，通过电化学氧化方法将生物质中不易直接脱氧的官能团转化为可直接脱氧的官能团，利于后续裂解脱除。
该装置进行生物质热裂解反应时，氮气吹扫，隔绝氧气，通过手动设定温度控制器12，对外热式加热夹套11精确控温（400-600℃，±1℃），达到400℃以上，混合碳酸盐可以完全融化，形成高温离子液体，热电偶5可对熔盐实时测温，通过热电偶测定温度达到设定温度并稳定后，可开通电源，手动调节合适电压，由进料口2进料并密封，电机带动齿轮泵均匀进料，反应所生成的高温蒸汽经由出气口4进入后续冷凝装置和集气装置。
通过该实验装置的热裂解方法，具体步骤如下：
1）以质量比为1-3:1:0.16-7的Li2CO3、Na2CO3和K2CO3混合熔盐作为介质，预先加入反应釜10内；手动设定温度控制器12，并在N2氛围下以8-12℃/min升温速率加热至400-600℃，保持恒温25-35min；
2）接通可调控电源1，并设定电源电压为4-6V；
3）取8-12g生物质原料粉末加入密封原料仓13，通过电机旋转式进料口2匀速进料并密封，进行反应，反应后所生成的高温蒸汽经由出气口4进入后续冷凝装置或集气装置。
对照例1：快速热裂解秸秆
准备10g秸秆粉末，至于本装置中，在N2氛围下以10℃/min升温速率加热至550℃并保持恒温30min。反应完全后，气体产量1.40L，其中H2、CO、CO2、CH4产量分别为0.24L，0.27L，0.34L，0.33L。液体产量2.73g，其中含水量85.41%。
对照例2：熔盐热裂解秸秆
准备10g秸秆粉末，以150g质量比为1:1:1.3的Li2CO3、Na2CO3和K2CO3混合熔盐为介质，在N2氛围下加热至550℃并稳定，进料反应。反应完全后，气体产量2.05L，其中H2、CO、CO2、CH4产量分别为0.42L，0.37L，0.56L，0.44L。液体产量1.98g，其含水量为87.92%。
实施例1：电场强化熔盐热裂解秸秆
准备10g秸秆粉末，以150g质量比为1:1:1.3的Li2CO3、Na2CO3和K2CO3混合熔盐为介质，在N2氛围下加热至550℃并保持恒温30min，通电并进料反应，设定电压为5V，电流示数为3.9A。反应完全后，气体产量3.45L，相比对照例1、对照例2增加146.4%、68.3%，其中H2、CO、CO2、CH4产量分别为0.76L，0.32L，1.26L，0.48L，相比较例1、例2可见H2、CO2产量明显增加，C0、CH4变化不大。液体产量0.86g，同比减少68.5%、57.6%；其中，含水量为88.74%。根据液体产量乘含水量计算H2O产量，得H2O产量同比减少67.4%、56.3%。
Claims (10)
1.一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，包括反应釜（10）、阳极电极（8）、阴极电极（7）及可调控电源（1），所述反应釜（10）外侧设有外热式加热夹套（11），所述阳极电极（8）及阴极电极（7）设置在反应釜（10）内，并通过导线与可调控电源（1）相连；所述反应釜（10）顶部在靠近阳极电极（8）位置处设有电机旋转式进料口（2），所述电机旋转式进料口（2）底部设有氮气进气口（3），所述反应釜（10）顶部在靠近电机旋转式进料口（2）的位置设有出气口（4），所述出气口（4）通过管路外接冷凝装置或集气装置。
2.根据权利要求1所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述电机旋转式进料口（2）包括密封原料仓（13）、可调控电机（14）及齿轮泵（15），所述齿轮泵（15）设置在密封原料仓（13）内，所述可调控电机（14）与齿轮泵（15）传动连接。
3.根据权利要求1所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述反应釜（10）内设有热电偶（5），所述热电偶（5）外接温度感应器。
4.根据权利要求1所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述反应釜（10）包括外层及内层，所述外层采用不锈钢，内层采用陶瓷内衬（9）。
5.根据权利要求2所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述热电偶（5）外侧设有保护套（6），所述保护套（6）采用刚玉保护套。
6.根据权利要求1所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述阳极电极（8）及阴极电极（7）均采用石墨电极。
7.根据权利要求1所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述阳极电极（8）及阴极电极（7）与可调控电源（1）相连的导线的外侧设有密封圈。
8.根据权利要求1所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置，其特征在于，所述外热式加热夹套（11）通过导线连接温度控制器（12）。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于电解强化生物质热裂解小型实验装置的热裂解方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）以质量比为1-3:1:0.16-7的Li2CO3、Na2CO3和K2CO3混合熔盐作为介质，预先加入反应釜（10）内；手动设定温度控制器（12），并在N2氛围下以8-12℃/min升温速率加热至400-600℃，保持恒温25-35min；
2）接通可调控电源（1），并设定电源电压为4-6V；
3）取8-12g生物质原料粉末加入密封原料仓（13）并密封反应釜，通过电机旋转式进料口（2）匀速进料并保证密封，进行反应，反应后所生成的高温蒸汽经由出气口（4）进入后续冷凝装置或集气装置。
10.根据权利要求9所述的一种电解强化生物质热裂解小型实验装置的热裂解方法，其特征在于，步骤1）中Li2CO3、Na2CO3和K2CO3的质量比为1:1:1.3。
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