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(相當于600～800億t噸石油的能量)，遠遠超出目前世界化石燃料消耗的總和。僅我國農(nóng)作物廢棄物就相當于6億噸標準煤，林業(yè)廢棄物相當于3億噸標準煤。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％，遠遠沒有達到高效轉(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，兩種原料以適當比例混合后進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40.6wt％，在含碳氣體產(chǎn)物中達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