介质阻挡放电等离子体生物质的液化

颜色迅速变黄变深；秸秆类物质也有和木屑类物质类似 的体积反复过程。对稻壳来讲，这种体积反复较少。
图 2 介质阻挡放电(DBD)生物质液化温度上升曲线 Fig.2 Curves of temperature vs. time in DBD experiment
图 3 介质阻挡放电(DBD)生物质液化体积膨胀曲线 Fig.3 Curves of vol. expansion rate vs. time in experiment
试验中的反应物温度和体积随时间变化如图 2、3。 由图 2 可见，不同生物质在相同条件下的 DBD 反应温度 有很大差别，木屑类反应温度较低，而稻壳反应温度最 高。图 3 所示不同反应物的 DBD 反应体积变化也有所不 同。木屑类物质在反应时，体积迅速膨胀，但在反应过 程中体积变化会有几个反复翻腾过程，即体积膨胀会突 然回复为 0，然后又瞬间回复到一定的膨胀率。伴随着反 应物的剧烈翻腾，会有大量的淡白色烟雾出现，混合物
成本低廉的生物质液化新方法。
1 试验装置与方法
1.1 试验装置 本文将 DBD 技术与生物质液化技术相结合，试验装
置如图 1，主要包括隔离变压器、调压器、脉冲电源和 DBD 反应器，其中 DBD 反应器由内、外电极和石英玻 璃容器组成。隔离变压器可以使试验电路与供电主回路 隔离，以免受到主回路中的电压、电流特性变动的影响， 保证试验电路的稳定性。调压器用来调整脉冲电源的入 口电压，以得到脉冲电源在相同负载条件下不同的工作 功率。本试验调压器输入电压为 220 V（交流），输出电 压为 0～250 V。脉冲电源选用高频高电压霓虹灯电源， 可以产生振荡式交流脉冲信号。电源参数为：峰压 20 kV， 频率 75 Hz，振荡周期 220 ns，功率 60 W。该电源能够 有效促进气体分子的激发，产生大量高能电子、离子和 自由基等活性粒子。DBD 反应器是本试验装置的核心所 在，采用线－筒式，以保证在电极线附近形成很强的局 部电场，并使等离子体遍布整个反应器。反应器外壳为 石英玻璃材料，具有良好的耐温性、介电性，不仅对圆 筒内电场有稳定及增强的作用，而且是反应介质的承载 体。内电极为一根直径 4 mm 的铁质电晕棒，与外界脉冲 电源系统相连，外电极为包覆在圆筒外壁的一层铝箔。
四氢萘是煤水解液化中常见的“供氢溶剂”，同时 也是生物油中有效的加氢脱氧剂。Rezzoug 等[14]提出四氢 萘在热作用下转变为萘并放出 4 个氢自由基，氢自由基 被吸附到催化表面形成活性部位，从而与自由基发生反 应。鉴于四氢萘较强的供氢能力和较好的溶剂性能，本 试验选用四氢萘作为试验介质。 1.4 试验过程
第 26 卷 第 2 期 290 2010 年 2 月
农业工程学报 Transactions of the CSAE
Vol.26 No.2 Feb. 2010
介质阻挡放电等离子体生物质的液化
王秋颖，顾 璠※
（东南大学能源与环境学院，南京 210096）
摘 要：为了探索常压快速生物质液化新方法，该文以木屑、秸秆、稻壳等常见生物质为研究对象，利用介质阻挡放电
收稿日期：2009-06-10 修订日期：2009-08-26 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20070286099） 作者简介：王秋颖（1971－），女，辽宁营口人，博士，副教授。南京 东 南大学能源与环境学院，210096。Email: wangqiuying@ ※通信作者：顾 璠（1962－），男，博士，教授。南京 东南大学能源与 环境学院，210096。Email: fangu@
将试样在干燥箱中干燥后，置于干燥器中备用。将 烘干后的试样与供氢溶剂按比例倒入反应器中，充分混 合，确保电极位于反应器中心，使电极与壁面之间形成 均匀电场，以避免局部场强增大造成反应器击穿。按照 图 1 连接好反应装置，接通电源，开始试验。当液－固 混合物加上强电场之后，并不是立即反应，而是要等待 一定的时间来积累能量。用 K 型接触式热电偶测量反应 器外表壁温度。达到一定温度后，混合物呈沸腾状态， 可见明显小气泡，体积迅速膨胀，然后保持在一定的温 度和膨胀率。反应开始后有淡白色烟雾出现，但未到管 口即遇冷凝结为无色液体，判断应为轻质油。混合物颜 色迅速由无色透明变为黄色，并出现分层，即有一层液 体浮在四氢萘溶剂之上，此时反应物温度保持在 80℃左 右。20 min 左右后，反应物温度开始降低，体积逐渐恢 复，30 min 左右，反应结束。
采用 DBD 等离子体生物质液化方法不以酸性物质为 催化剂，液化前后混合物的酸碱度基本不变，pH 值保持 在 5.5 左右，基本处于中性或弱酸性状态。同时，采用多 种容器盛放液化产物，验证液化产物腐蚀性较小。所以 采用 DBD 生物质液化方法生产生物油，在生产、存储、 运输中对设备的材料要求降低，相应降低了成本。
2 结果与分析
2.1 试验产物分析 生物质液化的产物组成复杂，以碳、氢、氧元素为
主，是水、焦油及含氧有机化合物等组成的一种不稳定 混合物，包括有机酸、醛、酯、缩醛、半缩醛、醇、烯 烃、芳烃、酚类、蛋白质、含硫化合物等。Kawser 等[15] 研究了油棕壳的热解工艺，发现生物油中苯酚及其衍生 物含量较高。朱满洲等[16]对以玉米秆为原料热解获得的 生物油进行分析，确定该种生物油中含乙酸 27.32%、酯 类 6.72%、单环芳烃衍生物 33.52%、多环芳烃衍生物 1.32%。类似的研究还有很多。
种生物质为研究对象。试样经过秸秆粉碎机粉碎、筛选， 试样粒径均＜0.6 mm。试样的性质参数如表 1 所示。
表 1 生物质元素和工业成分分析 Table 1 Composition analysis of biomass
工业成分质量分数/%
元素质量分数/%
试样
水分 灰分 挥发分 固定碳 C H O N S
等离子体技术，在低温、常压条件下进行生物质液化的试验研究与分析。 研究结果表明：该方法具有反应速度快，反应
条件温和、设备简单、产物性质稳定、低腐蚀性等一系列优点，是今后研究开发的方向之一。
关键词：介质设备，等离子体应用，生物质，液化
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.02.050
木屑 8.87 5.46 68.70 秸秆 9.10 10.46 63.69 稻壳 7.67 14.96 60.69
16.96 16.75 16.68
42.70 6.25 35.53 0.94 0.26 35.37 4.82 39.15 0.96 0.14 38.45 5.68 32.37 0.56 0.31
在本试验中，DBD 生物质液化方法同样对原料具有 很大的选择性。选择适合 DBD 液化的生物质作物，还需 要做大量的工作。 2.3 液化产物腐蚀性
生物质液化过程通常以硫酸、磷酸等作为催化剂， 植物纤维在强酸中容易液化，但强酸腐蚀设备，污染环 境；植物纤维在弱酸中液化速度慢，转化率低。液化产 物一般具有很强的腐蚀性，主要由于生物油中含有一些 有机酸，导致了生物油整体呈酸性。王丽红等[19]测定生 物油的 pH 值介于 3.8～4.0 之间，这使得生物油在生产 和存储过程中不得不采用耐腐蚀的容器，加大了生产成 本。腐蚀性问题成为生物质液化技术发展中的一大障碍。
近年来等离子体（plasma）技术发展迅速，等离子体 独特的化学活性和高反应性使得许多传统方法不易或不 可能实现的化学反应变为可能。人们开始尝试将等离子 体技术应用到生物质热转化利用中。易维明[9]等利用高温 等离子体对生物质的快速热解液化进行了研究。Tang[10] 等利用木屑为原料，采用射频电容耦合等离子体技术， 实现生物质的气化。Steinberg[11]利用等离子体技术将矿 石燃料和生物质转化为电能、氢和液体燃料。
0引言
生物质液化制取的燃料油不但可以作为燃料使用， 还可以生产许多化学产品，具有广阔的实用价值。在能 源紧缺与环境保护的双重压力下，生物质能的开发利用 成为研究的热点。诸多学者不断探索高效、实用的生物 质液化方法。生物质高压液化技术和快速热解液化技术 得到了广泛的研究，获得了大量的研究成果[1-5]。同时， 临界技术、微波技术等也被引入到生物质液化中来[6-8]。 然而就目前的生物质液化工艺而言，主要是采取高温高 压的方式，存在耗能高、成本高等缺点。开发生物质液 化新技术，尤其是常压快速液化工艺成为当务之急。
1.3 试验介质 液化反应中的反应介质，即溶剂对获得的液化产物
的产率有很大的影响。合理地选择溶剂可以更好地溶解 生物质，促进原料的液化，获得较高的生物质粗油产率。 Lancas 等[12]研究了以乙醇胺、乙醇、氨水、水作介质， 用四氢萘作溶剂时的生物质液化。Maldas 等[13]研究了无 催化剂条件下的苯酚直接液化生物质。另外也有文献报 道用醇、酮、有机酸、四氢萘、酯类等作为供氢溶剂。
图 1 介质阻挡放电(DBD)生物质液化试验装置 Fig.1 Schematic of dielectric barrier discharge (DBD)
biomass liquefaction experiment
第2期
王秋颖等：介质阻挡放电等离子体生物质的液化
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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1.2 试验原料
本文以江苏省常见的桑木屑、油菜秸秆、稻壳等几
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样可以使反应的成本大大降低，具有很好的经济性。
图 4 生物质液化产物示意图 Fig. 4 Schematic of biomass liquefaction composition 2.2 原料反应特性 将反应物质量 M1 与烘干后液化固体残渣质量 M2 对 比，通过式((M1-M2)/M1）可以确定生物质 DBD 液化转 化率，如图 5。试验发现，各试样的 DBD 液态转化特性 有很大不同。木屑类物质的液态转化率最高，接近 8%； 秸秆类次之，稻壳类最少，不到 2%。
中图分类号：TM154.3，S216