生物質(zhì)常規(guī)與非常規(guī)條件下的熱解行為及升值利用研究.pdf

1、化石燃料的日趨減少，造成當(dāng)今世界面臨能源危機問題，科學(xué)家把未來的能源寄托在再生能源如太陽能、生物質(zhì)能等方面。生物質(zhì)是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源。據(jù)估計，全球生物質(zhì)產(chǎn)量約2200億t/a(相當(dāng)于600～800億t噸石油的能量)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前世界化石燃料消耗的總和。僅我國農(nóng)作物廢棄物就相當(dāng)于6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，林業(yè)廢棄物相當(dāng)于3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。大量生物質(zhì)或因腐爛浪費、或在田間直接焚燒，利用率僅為3％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到高效轉(zhuǎn)

2、化利用的目的。生物質(zhì)具有可再生、二氧化碳近零排放、對環(huán)境友好等優(yōu)點。如何將生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好的替代能源，對緩減未來能源緊張形勢及穩(wěn)定社會政治、經(jīng)濟(jì)具有重要的意義。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)是利用生物質(zhì)能有效途徑之一。在生物質(zhì)各種熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中，熱解過程的研究是最基本的內(nèi)容，通過對生物質(zhì)熱解過程變化規(guī)律及其影響因素的研究，為實現(xiàn)高效熱轉(zhuǎn)化利用生物質(zhì)能技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)和幫助。鑒于不同熱解手段得到的氣液固三相產(chǎn)物性質(zhì)存在較大差異，為此，本文通過普

3、通條件下常規(guī)熱解與等離子條件下的非常規(guī)熱解兩種不同手段對影響生物質(zhì)熱解過程的一系列重要因素進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括以下幾個方面： (1)采用固定床反應(yīng)器對生物質(zhì)進(jìn)行快速熱解，考察了常規(guī)條件下影響生物質(zhì)熱解的主要因素及氣、液、固三相產(chǎn)率的變化規(guī)律，氣體產(chǎn)物變化情況。結(jié)果表明常規(guī)條件下熱解生物質(zhì)，CO、CO2質(zhì)量百分含量分別占38.9％、19.4％，其次為H2和CH4，它們二者之和占25.9％。熱解溫度段不同，熱解規(guī)律不同，表現(xiàn)為

4、350～400℃溫度段失重速率較快，產(chǎn)生的氣體明顯增加，固體和液體迅速減少；450～600℃的溫度段，液體變化趨于平緩，而固體減少趨于緩慢。載氣流速的增大有利于提高熱解液體和氣體產(chǎn)率。 (2)研究了生物質(zhì)在等離子體作用下熱解過程的基本規(guī)律及影響氣體產(chǎn)物分布的主要因素。結(jié)果表明，在此條件下熱解生物質(zhì)的氣體產(chǎn)物主要是CO、H2和C2H2，其中CO、C2H2和H2相應(yīng)含量依次為54.2～69.17wt％、15.6～36.4wr％和6

5、.86～11.3wt％。原料揮發(fā)分越高，熱解產(chǎn)生的乙炔濃度越高；相同條件下熱解Datong煤熱解氣中乙炔的含量為12.5％。 (3)通過熱重分析方法及兩種熱解手段首次研究了生物質(zhì)與廢輪胎的共熱解。熱失重分析表明，二者均在351～365℃發(fā)生最快的熱分解反應(yīng)，氣相產(chǎn)物間能夠產(chǎn)生最大程度的相互影響關(guān)系，進(jìn)而改變熱解產(chǎn)物的組成?？焖贌峤饨Y(jié)果表明，共熱解同生物質(zhì)單獨熱解相比較，可以提高液體的產(chǎn)率。其中，生物質(zhì)在廢輪胎中比例越大，產(chǎn)生的

6、固體殘渣及液體越少，氣體越多；溫度越高，生成的液體及固體越少。加熱速率增大，各種氣體的最大產(chǎn)量向高溫處移動，每一種氣體體積變化是隨著溫度的升高先逐漸增加然后逐漸降低。共熱解液體產(chǎn)物分析表明，共熱解可以提高脂肪烴的含量，降低芳香烴的含量；含氧化合物及極性化合物的含量同生物質(zhì)單獨熱解相比較含量有所降低，克服了生物質(zhì)單獨熱解液體中氧含量偏高的問題，也克服了廢輪胎單獨熱解時大環(huán)芳香烴類物質(zhì)含量偏高的缺點。 (4)等離子條件下生物質(zhì)與廢

7、輪胎共熱解表明，兩種原料以適當(dāng)比例混合后進(jìn)行共熱解得到的乙炔含量比單一物料熱解高2～3倍。二者比例明顯影響產(chǎn)物組成，尤其是乙炔產(chǎn)物。原料狀態(tài)是影響乙炔含量的另一因素，其中生物質(zhì)熱解液體和廢輪胎熱解液體在等離子狀態(tài)下進(jìn)一步熱解得到的乙炔分別為～2％和45.7wt％，相應(yīng)收率分別為0.62～1.01％和24.85％；原料結(jié)構(gòu)同樣會影響乙炔的形成，含有線性雙鍵結(jié)構(gòu)的物質(zhì)熱解過程中更易裂解成含有雙鍵的自由基，有利于氣體乙炔的生成。其中，聚丙烯熱

8、解產(chǎn)生的乙炔含量高達(dá)40.6wt％，在含碳?xì)怏w產(chǎn)物中達(dá)59.64wt％。 (5)催化一體化實驗表明，堿性的氧化鈣有利于脫除生物質(zhì)熱解液體中的氧，從而使熱解液體的含氧化合物及極性類化合物的含量得到降低；酸性的MCM-41作為催化劑對熱解液體的氧表現(xiàn)出較差的脫除能力，但可降低一些大環(huán)芳香烴類物質(zhì)的含量。 (6)熱解生物質(zhì)后的固體殘渣活化實驗表明，以KOH為活化劑，表面活化劑為助劑的情況下可以制得超比表面積的活性炭，比表面