生物質常規(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，科學家把未來的能源寄托在再生能源如太陽能、生物質能等方面。生物質是僅次于煤炭、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，全球生物質產量約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

2、化利用的目的。生物質具有可再生、二氧化碳近零排放、對環(huán)境友好等優(yōu)點。如何將生物質高效轉化為環(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、經濟具有重要的意義。熱化學轉化技術是利用生物質能有效途徑之一。在生物質各種熱化學轉化過程中，熱解過程的研究是最基本的內容，通過對生物質熱解過程變化規(guī)律及其影響因素的研究，為實現(xiàn)高效熱轉化利用生物質能技術提供科學依據(jù)和幫助。鑒于不同熱解手段得到的氣液固三相產物性質存在較大差異，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熱解過程的一系列重要因素進行了研究，主要內容包括以下幾個方面： (1)采用固定床反應器對生物質進行快速熱解，考察了常規(guī)條件下影響生物質熱解的主要因素及氣、液、固三相產率的變化規(guī)律，氣體產物變化情況。結果表明常規(guī)條件下熱解生物質，CO、CO2質量百分含量分別占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率。 (2)研究了生物質在等離子體作用下熱解過程的基本規(guī)律及影響氣體產物分布的主要因素。結果表明，在此條件下熱解生物質的氣體產物主要是CO、H2和C2H2，其中CO、C2H2和H2相應含量依次為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，氣相產物間能夠產生最大程度的相互影響關系，進而改變熱解產物的組成。快速熱解結果表明，共熱解同生物質單獨熱解相比較，可以提高液體的產率。其中，生物質在廢輪胎中比例越大，產生的

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單獨熱解相比較含量有所降低，克服了生物質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)芳香烴類物質含量偏高的缺點。 (4)等離子條件下生物質與廢

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物組成，尤其是乙炔產物。原料狀態(tài)是影響乙炔含量的另一因素，其中生物質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％，相應收率分別為0.62～1.01％和24.85％；原料結構同樣會影響乙炔的形成，含有線性雙鍵結構的物質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、解產生的乙炔含量高達40.6wt％，在含碳氣體產物中達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)芳香烴類物質的含量。 (6)熱解生物質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