微波热解生物质废弃物的研究

摘要：利用微波热裂解生物质废弃物，使其转化为可直接利用的能源，是一种非常重要的处理工艺。运用自行研发的单模谐振腔微波设备对生物质废弃物进行热解反应试验，考察了微波功率、反应时间、含水率和物料粒径对木屑热解的影响，得到较优的反应工艺条件：微波功率为2.0kW，反应时间为8min，含水量为20%，物料粒径为0.5~0.8mm。分析研究了固、液、气3种热解产物：固体产物（炭）的性质得到了改善；生物油主要是芳香烃类化合物和呋喃类化合物的复杂混合物；热解气体产物主要为CO，CO2，甲烷等，热值相对较高。
关键词：微波加热；生物质热解；生物油
中图分类号：TK6；TQ610.4；S216.2文献标志码：A文章编号：1671-5292（2011）03-0025-05
0引言
化石燃料的严重污染、不可再生等问题可导致严重的生态危机和能源危机，开发洁净、可再生能源刻不容缓。生物质能低污染、永不枯竭的自然特性使其受到了更加广泛的重视[1]~[4]。生物质快速热解液化技术为生物质能利用提供了有效可行的方法[5]~[8]。国内外学者已经对生物质热解技术进行了大量的研究，并取得一定的成效，如微波热解技术与传统的加热机理和传热特性均不同，更有利于生物质热解，获得的生物油和固体炭的性质均有一定程度的提高[9]~[15]。本研究利用不同热解条件对木屑进行微波热解试验，得到微波热解木屑类生物质的一系列优化工艺条件，使其在经济性和环保性两个方面达到最优，为木屑类生物质热解工艺的开发利用开拓了广阔前景。
1试验
1.1试验的原料和试验装置
本试验所用木屑取自山东聊城木材厂的木屑，主要以华北平原阔叶杨树为主，通过筛分的方法对原料尺寸进行分布分析，结果如图1所示。

图1木屑尺寸及分布
对木屑进行微波热解之前，对其中的水分、灰分和元素组成的含量进行分析（表1）。
表1木屑成分分析结果％

图2所示为微波热解试验装置简图。本试验所用微波装置为自主研发且委托南京三乐微波技术发展有限公司加工的WY3S-02型微波装置，其工作频率为2450MHz，输出功率为0~2600W。该装置微波电源由磁控管和控制电路组成，具有功率线性可调，时间可定时功能。微波装置还包括BJ-22微波导管、三销钉电磁场调配器、单模谐振腔体以及活塞式电磁场手动调节器和水负载。

图2微波热解试验装置示意图
1.2试验过程
准确称取待处理木屑样品装入石英反应器中。将反应器放置在微波单模谐振腔中，用铁架台将反应器固定，保证反应器在反应腔体中间。打开氮气阀，氮气流速为1L/min，吹扫约2min，以保证体系被氮气充满。打开两路冷凝水，开启微波电源开关，先启动低压开关对反应器进行预热，约5min后，设定反应所需参数，当灯丝电流显示约为1500mA且稳定时，预热结束，开启高压开关，即有微波发射，通过波导传入反应器，加热反应器中的物料，使反应物料迅速热解。
在反应过程中，当观察到有大量气体产生，经冷却后有黄色油状物质被冷凝器中的溶剂吸收，此时使用气体样品袋收集反应的气体样品。到达反应所设定时间时，关闭高压开关，即关闭微波。
反应结束后，关闭低压开关、微波电源开关，待系统冷却后关闭两路冷凝水，关闭氮气阀门。
1.3分析方法
原料水分的测定，参照造纸原料水分的测定标准（GB/T2677.2-93）；灰分的测定，参照造纸原料灰分的测定标准（GB/T2677.3-93）；元素组成采用鹤壁市新天科煤质仪器有限公司生产的TQ-3A型碳氢元素分析仪，运用吸收质量法测定有机物中碳和氢的含量，氧元素采用差量法求得。