·1000· 北京科技大学学报 第34卷 18 1.0 90 生物质焦的TG曲线A) 16 0.5 80 RT-30 ·-RT-60 70 1 ·T-90 12 上物质原样DIG曲线(A) 。-CT-30 营10 -0.5 .3w) 豐60 0-cT-60 8- 50 a-C1-90 -·热重分析所得产率 生物质原样IG曲线(A) 40 30 -2.0 20 3004005006007008009001000 200 400 600 8001000 -2.5 温度℃ 温度℃ 图3碳化条件对生物质焦产率的影响 图2生物质碳化的热重一差热曲线 Fig.3 Effect of carbonization conditions on the yield of biomass char Fig.2 TG-DTG curves of biomass carbonization mg*min,总失重率达6L.78%;最后是碳化结束阶 2.2.2保温时间的影响 段，生物质中残留的微量挥发物质继续缓慢析出，失 在300~400℃的碳化温度范围内，随着保温时 重速率小于0.10mg"min-',其中500~700℃总失 间的延长，生物质焦的产率呈下降的趋势，这是由于 重率为3.95%，700~1200℃总失重率为2.24%. 在其他条件相同时，保温时间越长，挥发分析出的越 由生物质焦的热重曲线可以看出，700℃碳化 多.碳化温度在400~500℃之间时，保温时间对生 并保温30min得到的生物质焦己基本不含可分解 物质焦的产率影响较小，而当碳化温度大于500℃ 或可析出的物质，仅当温度超过700℃以后才有略 以后，保温时间对生物质焦的产率不再有明显影响. 微的质量变化. 因此，在碳化温度定为500~700℃时，制备生物质 总之，生物质的碳化主要发生在230~500℃的 焦的保温时间可以定为30min,甚至更短以提高 温度范围内，至700℃基本碳化完全，继续升温对其 效率. 质量的影响不大 2.2.3加热模式的影响 2.2生物质焦的产率 在碳化温度小于500℃时，不同加热模式对生 生物质焦的产率与碳化温度、加热模式及保温 物质焦产率的影响较小，而当碳化温度大于500℃ 时间之间的关系见图3.图中，RT-30、RT-60和 后，加热模式对产率的影响逐渐明显，室温加热条件 RT90表示通过室温加热模式升温至相应的碳化 下的产率明显高于恒温加热条件下的产率，在700 温度并分别保温30、60和90min(图中带有实心标 ℃时两种加热模式下生物质焦的平均产率相差约 志的曲线)：CT-30、CT60和CT90表示通过恒温 4.33%,但都大于20%.因此，若要获得较高的生物 质焦产率，宜选择室温加热模式：若考虑到生物质焦 加热模式升温至碳化温度，并分别保温30、60和90 min(图中带有空心标志的曲线)；通过热重天平分 实际制备的连续性，则宜选择恒温加热模式（加热 析得到的生物质焦瞬时产率和温度之间的关系如图 炉不需冷却后再从室温开始加热)以降低能耗 中虚线所示. 因此，综合考虑生物质焦制备的产率、效率等因 2.2.1碳化温度的影响 素，合理的碳化条件为：采用恒温加热模式将生物质 碳化温度是影响生物质焦产率的最关键因素 加热至500~700℃，并保温30min后冷却取出. 从图3中可以看出，随着碳化温度的逐渐升高，生物 2.3生物质焦的基础性能 质焦的产率都呈不断下降的趋势.碳化温度在300 2.3.1结构形貌 ~400℃时，生物质焦的产率随温度的升高迅速下 图4(a)和4(b)为采用恒温加热模式在500℃ 降：碳化温度在400~500℃之间时，生物质焦的产 时碳化30min(简写为CT-500-30)得到生物质焦横 率下降减缓：碳化温度在500~700℃时，生物质焦 截面的扫描电镜照片：可以看出生物质焦的孔隙特 产率下降的更加平缓，近似呈较平坦的线性关系；碳 别发达，具有典型的蜂窝状薄壁管结构，管截面一般 化温度大于700℃时，生物质焦的产率已基本不受 呈较规则的六边形.生物质焦管结构的壁厚约1~5 碳化温度的影响.综合考虑生物质焦的可磨性和产 um,管径约10~80μm. 率，生物质焦制备的合理碳化温度范围为500~ 炼铁工艺中通常要求粉状的燃料或还原剂以提 700℃ 高化学反应效率，因此对生物质焦进行破碎处理.北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 2 生物质碳化的热重--差热曲线 Fig． 2 TG-DTG curves of biomass carbonization mg·min － 1 ，总失重率达 61. 78% ; 最后是碳化结束阶 段，生物质中残留的微量挥发物质继续缓慢析出，失 重速率小于 0. 10 mg·min － 1 ，其中 500 ～ 700 ℃ 总失 重率为 3. 95% ，700 ～ 1 200 ℃总失重率为 2. 24% ． 由生物质焦的热重曲线可以看出，700 ℃ 碳化 并保温 30 min 得到的生物质焦已基本不含可分解 或可析出的物质，仅当温度超过 700 ℃ 以后才有略 微的质量变化． 总之，生物质的碳化主要发生在 230 ～ 500 ℃ 的 温度范围内，至 700 ℃基本碳化完全，继续升温对其 质量的影响不大． 2. 2 生物质焦的产率 生物质焦的产率与碳化温度、加热模式及保温 时间之间的关系见图 3． 图中，RT--30、RT--60 和 RT--90 表示通过室温加热模式升温至相应的碳化 温度并分别保温 30、60 和 90 min( 图中带有实心标 志的曲线) ; CT--30、CT--60 和 CT--90 表示通过恒温 加热模式升温至碳化温度，并分别保温 30、60 和 90 min( 图中带有空心标志的曲线) ; 通过热重天平分 析得到的生物质焦瞬时产率和温度之间的关系如图 中虚线所示． 2. 2. 1 碳化温度的影响 碳化温度是影响生物质焦产率的最关键因素． 从图 3 中可以看出，随着碳化温度的逐渐升高，生物 质焦的产率都呈不断下降的趋势． 碳化温度在 300 ～ 400 ℃时，生物质焦的产率随温度的升高迅速下 降; 碳化温度在 400 ～ 500 ℃ 之间时，生物质焦的产 率下降减缓; 碳化温度在 500 ～ 700 ℃ 时，生物质焦 产率下降的更加平缓，近似呈较平坦的线性关系; 碳 化温度大于 700 ℃ 时，生物质焦的产率已基本不受 碳化温度的影响． 综合考虑生物质焦的可磨性和产 率，生物质焦制备的合理碳化温度范围为 500 ～ 700 ℃ ． 图 3 碳化条件对生物质焦产率的影响 Fig． 3 Effect of carbonization conditions on the yield of biomass char 2. 2. 2 保温时间的影响 在 300 ～ 400 ℃的碳化温度范围内，随着保温时 间的延长，生物质焦的产率呈下降的趋势，这是由于 在其他条件相同时，保温时间越长，挥发分析出的越 多． 碳化温度在 400 ～ 500 ℃ 之间时，保温时间对生 物质焦的产率影响较小，而当碳化温度大于 500 ℃ 以后，保温时间对生物质焦的产率不再有明显影响． 因此，在碳化温度定为 500 ～ 700 ℃ 时，制备生物质 焦的保温时间可以定为 30 min，甚至更短以提高 效率． 2. 2. 3 加热模式的影响 在碳化温度小于 500 ℃ 时，不同加热模式对生 物质焦产率的影响较小，而当碳化温度大于 500 ℃ 后，加热模式对产率的影响逐渐明显，室温加热条件 下的产率明显高于恒温加热条件下的产率，在 700 ℃时两种加热模式下生物质焦的平均产率相差约 4. 33% ，但都大于 20% ． 因此，若要获得较高的生物 质焦产率，宜选择室温加热模式; 若考虑到生物质焦 实际制备的连续性，则宜选择恒温加热模式( 加热 炉不需冷却后再从室温开始加热) 以降低能耗． 因此，综合考虑生物质焦制备的产率、效率等因 素，合理的碳化条件为: 采用恒温加热模式将生物质 加热至 500 ～ 700 ℃，并保温 30 min 后冷却取出． 2. 3 生物质焦的基础性能 2. 3. 1 结构形貌 图 4( a) 和 4( b) 为采用恒温加热模式在 500 ℃ 时碳化30 min( 简写为 CT--500--30) 得到生物质焦横 截面的扫描电镜照片． 可以看出生物质焦的孔隙特 别发达，具有典型的蜂窝状薄壁管结构，管截面一般 呈较规则的六边形． 生物质焦管结构的壁厚约1 ～ 5 μm，管径约 10 ～ 80 μm． 炼铁工艺中通常要求粉状的燃料或还原剂以提 高化学反应效率，因此对生物质焦进行破碎处理． ·1000·