花生秸秆微波裂解产物特性研究

罗朝阳

（达州职业技术学院，四川达州63 5 001）

花生是我国的主要油料作物之一，产量排在世界前列，2019年全国花生种植面积超过462万公顷，种植面积连年增加，但与此同时产生的花生秸秆量也是空前的，平均一年产生约2000～3000万吨。虽然花生秸秆含有非常丰富的纤维素、粗蛋白等营养物质，但我国对这一资源却没有很好地开发，大部分是焚烧浪费掉了[1]。因此，对花生秸秆综合利用研究，不仅可以解决资源浪费，也可以增加农民收入，改善生态环境。

裂解是国内外生产生物质能源的一项重要技术[2]，国内外对微波裂解技术的应用已比较成熟，但对秸秆裂解的研究较少，特别是对花生秸秆的微波裂解研究更少。秸秆是一种潜在的清洁型能源，通过对秸秆，特别是花生秸秆的微波裂解研究，对于补充我国及全世界能源短缺都有很大帮助。因此，本课题拟选用花生秸秆作为研究对象，利用微波裂解技术，将秸秆热解成固、液、气三相产物，通过控制变量研究裂解功率、秸秆长度、含水率对各相产物产率的影响，以及对各种气体产量的影响，得到花生秸秆微波裂解产物特性的一般规律。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

本实验所选材料为花生秸秆，去叶去枝，秸秆本身含水率为8%，根据实验需要配置成含水率分别为18%、28%、38%；将秸秆剪成1 cm和3 cm的样品，并用粉碎机粉碎筛网筛选出粗粉粒径2mm和细粉粒径60目。

微波裂解装置（NJL4-2型，南京杰全微波设备有限公司）由高温微波裂解炉、热电偶、冷凝装置、抽水泵、氮气瓶组成。裂解炉温度、功率可由操作界面直接控制。分析混合气体成分及各成分含量采用气相色谱仪（Agilent Intuvo 9000，美国安捷伦科技有限公司）。粉碎机型号为HCL-5型（北京华宏金诚有限公司）。

1.2 实验条件

本实验研究裂解功率、秸秆长度和含水率对三相产率的影响，因此，选取控制变量的方法进行逐个研究。变量的取值范围如下：

（1）裂解功率：裂解功率与原料的升温速率（即微波加热效率）有关[3]。因此，本实验选择1.5 kW、2kW、2.5 kW、3 kW四个功率水平，探究功率对三相产物产率的影响；

（2）秸秆长度：由于秸秆长度不同，裂解时的接触面积不同，并且还要考虑不能过长。因此，本实验选择1 cm、3 cm、粗粉粒径2mm、细粉60目四个水平来进行实验；

（3）秸秆含水率：在预热过程中，秸秆中的水分很大一部分会变成水蒸汽之后冷凝，合成气体的水蒸汽就会减少，对液相产率和气相产率就有影响。因此，本实验选择了8%、18%、28%、38%四个梯度的含水率进行研究[4]。

2 结果与讨论

2.1 含水率对产物影响

2.1.1 含水率对各项产物产率的影响

水是吸收微波最好的介质，含水率高的花生秸秆在微波裂解时升温速度会加快并迅速达到设定温度，减少反应过程中可能出现的二次裂解，并且秸秆的裂解也会更充分[5]。

图1 含水率对各项产物产率的影响

图1 表示温度为800℃、功率为2kW、秸秆长度为3 cm时，花生秸秆裂解生成的气、液、固三相产物产率与不同含水率的变化规律。从图中可以看出，裂解充分后气相产物的产率可以占到一半以上，而随着含水率的不断增加，固相产率不断减少，原因可能在于水分含量越高裂解越充分；含水量为28%时，气相产率和液相产率分别达到最小值和最大值，说明含水量28%是制备生物油等液相产物最优的含水率，同时得到最少的气相产物。

2.1.2 含水率对各气体含量的影响

图2 含水率对产率影响

从图2可以看出，CO的产率最少，在10%左右上下波动；而CO2的含量在21%时达到最小值，此时H2和CH4的含量分别达到最大值。CH4的含量相对稳定，稳定在23%～30%之间，而H2和CO2的波动浮动则略大一些。

2.1.3 含水率对气体热值的影响

根据图3可以看出，含水率对混合气热值影响较显著。随着含水率的提高，混合气热值不断增加，当含水率为28%时，热值达到最大值，随着含水率继续增加，混合气热值下降。说明在含水率为28%左右时，气体热值最大，应尽量把物料的含水率调整在28%左右。

图3 含水率对气体热值的影响

2.2 长度对产物的影响

2.2.1 长度对各项产物产率的影响

图4表示温度为800℃、功率为2kW、含水率为8%时，花生秸秆裂解生成的固、液、气三相产物的产率随样品尺寸不同的变化规律。从图中可以看出，随着样品尺寸的增加，固相产物的产率从26.61%逐渐减少至23.47%，但减少的幅度不大；气相产率在65%～70%之间波动；而液相产物在秸秆未粉碎时比粉碎以后其液相产率要高，可能原因是粉碎后促进了生物油的二次裂解。

这是因为传统的高温裂解，主要受样品的导热率影响，而秸秆长度的不同，对传热和传质又有很大的影响，而且裂解时与加热系统的接触面积也不同。因此，不同长度的秸秆升温速率以及裂解程度都会受到影响，从而导致三相产物产率的不同。但微波裂解不同，其特点就是高穿透性，可以直接到达样品中心，不存在导热的过程，其加热裂解的温度在各个方向的传导也是均匀一致的。

从图5中可以看出，1 cm是一个很重要的尺寸，CO、H2、CO2、CH4分别在 1 cm 处达到最小值和最大值。测算4组实验中每种气体的平均值，可以发现，气体含量从高到低依次为：CO2、H2、CH4、CO。

图5 物料尺寸对气体含量影响

2.2.3 长度对气体热值的影响

图4 物料尺寸对各项产率的影响

图6 物料尺寸对气体热值的影响

从图6可以看出，当秸秆长度为1 cm，混合气热值最低，为33008.37 kJ/kg，其他水平时，混合气热值基本稳定在55000kJ/kg～60000kJ/kg。

2.3 功率对产物的影响

2.3.1 功率对各项产物产率的影响

图7表示温度为800℃、含水率为8%、长度为3 cm时，花生秸秆微波裂解生成固、液、气三相产物的产率随功率不同的变化规律。分析数据得出，随着功率的增加，固相产率从25.12%逐渐降至22.15%，液相产率从11.04%逐渐降至1.69%，且固相产率减幅小于液相产率，而气相产率在不断增加，但从2.5 kW到3 kW的增幅略有下降。

功率即升温速率，也就是物料的裂解时间，从以上结论可知，功率越大，物料在反应器内的反应时间就越短，这不仅抑制了液相产物的二次裂解，也减少了固相产物的质量，从而使产气量不断增加，甚至占到总产率的三分之二以上。

图7 功率对各项产率的影响

2.3.2 功率对各气体含量的影响

如图8，功率对CO和CH4的产率在2kW时分别达到最大值及最小值，其余功率时都比较稳定；对CO2的影响很大，说明功率的不同会大大改变CO2的产量；对H2的影响也比较大，当功率为2kW时，H2产量存在最大值。这说明，在制备不同气体时，要选择不同功率，否则达不到其产量的最大值。

2.3.3 功率对气体热值的影响

几何之务，不在知其然而在知其所以然；不在知其所以然，而在何由以知其所以然？读定理，既知其然矣；又从而证之，以见其所以然.若此所谓证者，仅口得而传，心不得而求，则此流传二千载，用遍五大洲之十三章经(注：即《几何原本》)，亦特教员专利之秘方耳，曷足贵哉？初中于平面几何之教材，已讲授不少，惟于方法之运用尚欠熟练耳；故高中宜特别偏重焉.本书于第一篇汎论推证之法；而第二篇之于证定理，第四篇之于解作图题，概以方法为经，以教材为纬.凡此种种，皆欲启发学者，示以思维之道耳.

从图9可以看出，在2.5kw时气体热值最大，而1.5 kW、2kW、3 kW时气体热值则比较稳定。

3 结论

图8 功率对气体含量影响

图9 功率对气体热值的影响

（1）通过气相色谱仪的分析，气相产物混合气主要包括 CO、CO2、H2、CH4，其中 CO 得率是最低的；

（2）在其他条件不变时，含水率对各项产物产率的影响较显著，随着含水率增加，固相产物会逐渐减少，而在28%左右时液相产率达到最大值，热值达到最大；

（3）在其他条件不变时，长度对气、固产率影响不大，但长度对气体热值略有影响，3 cm时热值最大；

（4）在其他条件不变时，功率对固相产率影响不大，对气相和液相产率有显著影响，随着功率的增加，气相产率不断增加，液相产率不断减少。对于混合气热值，当功率在2.5 kW时热值最大。