2.1　样品特性分析

2.1.1　元素分析和工业分析

本研究所使用的生物油和生物炭主要来自湖北省咸宁市生物质集中供气站。生物油、生物炭和常用生物质棉秆的元素分析和工业分析见表2-1。当生物质经过热解过程后，灰分和固定碳富集到生物炭中，而大多数的水分和挥发分富集到生物油中。生物油中的氢含量是生物炭的5倍左右，这主要是因为生物油中的含碳有机物较高。生物油中的硫含量同某些煤中的硫含量在一个数量级上［44］，而生物炭中的硫含量却很低。对于低位发热量，生物炭是生物油的两倍多，这也是将生物油和生物炭混合制成生物油浆的一个重要原因，其目的在于提高生物油的热值，有利于气化过程的进行。

2.1.2　生物油组分分析

本节中将用到SHIMADZU公司生产的GC-2000对生物油中的组分进行分析。测试前将50μg生物油原液溶解于950μL丙酮溶液中，具体的实验工况和升温程序见表2-2和表2-3。表2-4为GC-2000对生物油原液的测试结果，从表中可以看到，生物油的组分非常复杂，几乎包含了有机化合物的所有种类，如醚、酯、醛、酮、酚和有机酸等。此次实验检测出的有机物共有72种，其总百分比占整个生物油的93.06%，其中酚类有机物占66.83%，而有机酸含量不到2%。

2.1.3　生物炭颗粒粒径分布

通常要求75%的颗粒粒度尺寸在75 m以下［45］。在研磨生物炭之前，应先将块状生物炭粉碎成碎片，然后再将这些生物炭碎片利用实验室规模的研磨机研磨5min。图2-1和图2-2分别为研磨后的生物炭粉的颗粒粒度分布分数和颗粒粒度分布累积分数曲线，由英国MALVERN公司生产的Master Min激光粒度分析仪测得。由图可知，研磨后的生物炭颗粒粒度范围在0.448μm和178.25μm之间，通过累积分数曲线可以看到，生物炭颗粒粒度在75μm以下大约为76%，刚好能够满足浆体的颗粒粒度要求。因此生物炭同原生物质相比具有很好的粉碎性和研磨性［46］。

2.1.4　生物油浆稳定性

将研磨后的生物炭粉同生物油通过机械混合后就能够制得生物油浆，本节将探讨含不同生物炭浓度对生物油浆稳定性的影响，具体的生物炭浓度分别为0、4.8wt%、9.1wt%、13.0wt%、16.7wt%和20.0wt%。

尽管浆体的稳定性是非常重要的指标，可是对其给定一个标准的评估和测试方法确实相当困难，关于浆体的标准化测试方法国内外不少研究工作者对其进行了大量的相关研究［27，47］。

本节主要采用水煤浆的标准稳定性测试方法对生物油浆的静态稳定性进行测试［48］。具体方法如下：首先将50mL生物油浆保存在密封的容器内静置于室温下15天，然后将其倾斜倒入另一个容器中，并保持此倾斜动作30s，接着将该容器倒置直接使剩余的生物油浆滴入另一容器中，保持此动作4min，最后对容器中剩余的生物油浆进行称重，可计算出生物油浆的静态稳定性为

式中：SSbioslurry为生物油浆的静态稳定性，%；Mi为生物油浆样品的初始质量，g；Mr为经过倾倒后容器中残留的生物油浆样品质量。

图2-3为不同生物炭浓度对生物油浆静态稳定性的影响，由图可知，随着生物炭浓度的增加，生物油浆的静态稳定性呈线性下降。当生物炭浓度为20%时，生物油浆的静态稳定性为74.3%，能够满足浆体燃料气化静态稳定性需在70%以上的要求［48］。将生物炭的加入量和生物油浆的静态稳定性进行线性拟合可以得到相关式为y＝98.22-1.21x，相关系数R2＝0.996，相关性显著。由线性拟合得到的相关式估算可以推测，当生物油浆的静态稳定性为70%时，对应的生物炭浓度为23.3wt%，因此如果仅从生物油浆的静态稳定性这一条件对生物炭浓度进行限定的话，那么生物炭浓度最高为23.3wt%，考虑到裕量的保留，选择生物炭浓度为20wt%较为合适。由于本节的实验过程中所用到的称量容器能够很方便地对生物油浆的表观体积进行测定，因此本节中也列举出生物油浆表观密度随生物炭浓度的变化。在生物炭浓度变化范围为0～20wt%时，生物炭浓度对生物油浆的表观密度影响非常小，其中，生物油的表观密度为1.0748g/mL，而20wt%含量生物炭浓度的生物油浆的表观密度为1.0906g/mL。

2.1.5　生物油浆表观黏度

生物油浆是由固相和液相组成的非牛顿流体，其流变特性非常复杂而且影响因素很多。对于本研究中生物油浆的黏度分析，本文将采用NDJ-5S数字式旋转黏度计和电热恒温水槽对生物油浆的表观黏度进行测量，探讨不同温度和不同生物炭浓度对其的影响。

图2-4和图2-5分别为不同温度和不同生物炭浓度对生物油浆表观黏度的影响。由于生物油本身在室温下具有较高的表观黏度，而且温度对黏度的影响较大，因此有必要先探讨不同温度对生物油黏度的影响规律，见图2-4。生物油在15℃之前的表观黏度急剧下降，随后随着温度的上升，下降趋势逐渐平稳。7℃时生物油的表观黏度为1393mPa·s，50℃时生物油的表观黏度为40.25mPa·s，通常来说，水煤浆的表观黏度在2000 m Pa·s以下时被认为能够达到较好的雾化效果［49］，因此高温有利于生物油浆的运输和喷嘴雾化，但是高温意味着高成本，因此必须结合经济性综合考虑生物油浆的运输温度和燃料预热温度的选取。将温度和生物油浆的表观黏度进行指数拟合，得到相关式为y＝3400.07exp（-x/7.04）＋87.28，相关系数R2＝0.978，相关性较为明显。图2-5中，在20℃的恒温水浴中，生物油浆的表观黏度随着生物炭浓度的增加表现出先缓慢增加随后急剧上升的增长趋势。20wt%生物炭含量的生物油浆的表观黏度为1525mPa·s，该值在可雾化表观黏度要求内。同样，将生物炭浓度和生物油浆表观黏度进行拟合，得到相关式为y＝363.47＋41.26x－3.17x2＋0.2x3，相关系数R2＝0.995，相关性较高。由多项式拟合得到的相关式估算可以推测，当生物油浆的表观黏度为2000mPa·s时，对应的生物炭浓度为22.7wt%，因此如果仅从生物油浆的表观黏度这一条件对生物炭浓度进行限定的话，那么生物炭浓度最高为22.7wt%，同样考虑到裕量的保留，选择生物炭浓度为20wt%较为合适。高温能够有效地降低生物油浆的表观黏度，因此对于具体应用技术的需求，应选取最佳的温度和生物炭浓度。