Mg2+作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学模拟

为研究Mg2+对水稻秸秆热裂解特性及动力学的影响,分别将MgO、MgCl2、KCl、NaCl、MgCl2-KCl、MgCl2-NaCl、KCl-MgCl2-NaCl与水稻秸秆按0.3∶1的质量比进行干混,并分别在10、30和50℃/min的升温速率下进行了非等温热裂解试验。试验结果表明：NaCl和KCl作用下的水稻秸秆热裂解只存在一个质量损失峰,Mg2+盐作用下水稻秸秆热裂解均出现肩状峰;水稻秸秆在MgCl2作用下的热裂解残留量最低,为11%;二元和三元盐降低了挥发分的初始析出温度,对裂解促进作用明显;Mg2+盐作用下水稻秸秆热裂解特性综合指数均大于纯水稻秸秆的综合指数,混合盐增大效应更显著;模拟所得模型的第一步反应多属于符合Jander方程的三维扩散反应,第二步反应为n阶反应;3种熔盐体系对水稻秸秆热裂解的作用大小依次为：三元盐>二元盐>一元盐;两步反应模型能较好地描述熔盐作用下的水稻秸秆热裂解反应。该研究为熔盐热裂解生物质制生物油的研究提供了参考。     

生物质快速热裂解反应温度对生物油产率及特性的影响

以木屑为原料，在自制的小型流化床上，研究了生物质快速热裂解反应温度对生物油的产率、含水率、密度、黏度及成分的影响。结果表明，在475℃，500℃和550℃三种热裂解温度中，以500℃的平均生物油产率最高，为58.74%(w/w)。三种热裂解温度下，生物油的含水率分别为42.5%、46.0%和40.7%，生物油的密度分别为1140、1148和1151 kg/m³，运动黏度分为4.51 cSt、3.87 cSt和4.73 cSt。热裂解温度增高时，生物油的密度略有增加，含水率和运动黏度未见有规律变化，并且，运动黏度随含水率的增加而减小。热裂解温度对生物油的主要化合物成分相对含量有一定影响，但影响不明显，生物油中化合物几乎都是含氧的不饱和烃类衍生物，碳原子数在2～10之间，温度升高有利于糠醛、大多数苯酚类化合物生成，不利于乙酸的生成。该研究为生物油的生产与应用提供了参考。     

热裂解温度对生物质炭吸附解吸Cd~(2+)行为的影响

以玉米秸秆、水稻秸秆、稻壳为原料分别在350℃、450℃、550℃、650℃热裂解温度下制备玉米秸秆炭(MSB)、水稻秸秆炭(RSB)和稻壳炭(RHB),比较不同热裂解温度下三种生物质炭对溶液中重金属离子Cd~(2+)的吸附解吸特性。利用准一级、准二级和颗粒内扩散模型对吸附过程进行拟合,结果表明三种生物质炭对Cd~(2+)的吸附满足颗粒内扩散方程。随着热裂解温度的升高,同一种原料制备的生物质炭达到吸附平衡的时间缩短。Langmuir方程和Freundlich方程拟合结果显示,三种生物质炭对溶液中Cd~(2+)的吸附更符合Langmuir方程。单位数量的RSB在一定浓度Cd~(2+)溶液中对Cd~(2+)的吸附量显著高于MSB和RHB。三种生物质炭对Cd~(2+)的吸附量随制备生物质炭的热裂解温度的升高而降低。三种生物质炭中玉米秸秆炭的解吸率最小。因此评价生物质炭对溶液中重金属的去除效果需要考虑原料、热裂解温度等多种因素的影响。     

原料预处理对生物质热裂解动力学特性的影响

为探讨水洗和酸洗等预处理方法对生物质热裂解动力学特性的影响,以水稻秸秆为生物质原料,使用去离子水和质量分数分别为3%、7%和10%的盐酸、硫酸和磷酸溶液对水稻秸秆进行水洗和酸洗处理,采用热重分析法考察了水洗和酸洗,以及酸浓度对水稻秸秆热裂解特性及综合性指数的影响,并采用Thermo-kinetics软件进行多元非线性拟合得到了热裂解过程的动力学参数,推测了热裂解动力学模型。试验结果表明：水洗及酸洗可使水稻秸秆的热解主反应区热重和微分热重曲线向高温侧移动,最大失重速率和最大失重温度升高;盐酸和磷酸溶液浓度对水稻秸秆热裂解特性的影响较小,而硫酸浓度的影响显著,并随浓度升高而增大;酸洗有利于水稻秸秆中挥发分的析出,可以脱除秸秆内的部分钾盐,3种酸脱钾盐的作用依次为：盐酸>硫酸>磷酸;热裂解热性综合特性指数受水洗和酸洗影响显著,并随酸浓度升高而变化;两步连续反应模型可较好地描述水稻秸秆的热裂解过程;水稻秸秆经去离子水和磷酸洗涤后,热裂解倾向于发生符合Avrami/Erofeev的n维成核反应或晶核成长反应,经盐酸和硫酸洗涤后,则倾向于发生n阶反应。     

玉米秸秆的催化微波裂解及生物油成分

近年来,生物质热化学裂解已引起了越来越广泛的兴趣。但常规的生物质热裂解技术（如流化床等）要求细小的生物质原材料,因此粉碎能耗大。而且裂解所得的生物油和合成气产物易受生物质粉末污染。微波裂解虽然能帮助解决这些问题,但目前的微波裂解所得的生物油成分和其他热裂解技术一样,仍然过于复杂,因此尽管生物质热解获取生物油的成本低于生物质发酵所获得的燃料,生物质热解技术也仍未在工业上得到推广应用。该研究旨在帮助解决这一难题。利用玉米秸秆颗粒为原料,采用了4%的硫酸或磷酸的预处理,或者采用氯化物等催化剂直接混入原料,然后利用微波进行催化裂解,并获得气态、固态和液态生物油3种产物。利用气质联用设备（GC-MS）,对所得到的液态产物（生物油,Bio-oil）进行成分分析。在大量的试验基础上,该文筛选出的酸预处理,MgCl2、ZnCl2、及AlCl3直接催化是可以使所得的生物油成分简化的实用技术。     

利用小型流化床的生物质热裂解影响因素分析

化石能源的储量减少与污染使人们必须寻找其他替代能源,其中生物质能是一个很好的替代品.该文以榆木木屑、红松木屑和秸秆为原料,在自制的小型流化床上开展了生物质热裂解生物油的实验研究.结果表明红松木屑的产油率最高,热裂解的温度对产油率的影响很大,500℃时生物油的产量最高,热裂解温度越高,裂解气体产量越高,气体热值也越高,而碳的产量越低.而且随着反应时间的变化,裂解气体成分也发生变化,在裂解10 min左右,裂解气体中可燃气体成分最高.     

生物质快速热裂解主要参数对产物产率及其分布的影响

在生物质喂入率为0.8～2.0 kg·h^-1的流化床上以木屑为原料进行了快速热裂解试验，系统研究了木屑热裂解过程中的流化床反应器温度、生物质粒径和气相滞留期三个主要参数对热裂解产物产率的影响。结果表明，当反应器温度在450～600℃之间变化时，在500℃条件下，生物油产率最高，其值为53.33%，而木炭及不可冷凝气体产率分别为8.97%和37.70%。当温度为500℃，木屑粒径在0.90 mm以下时，粒径在0.45～0.60 mm范围内的生物油产率最大，达到58.23%，这时木炭产率为8.23%。对粒径小于0.20 mm的木屑在温度500℃，气相滞留期0.80, 1.20, 1.50 s三个量级上的热裂解表明，气相滞留期为0.80 s时，生物油产率达到最大值为62.60%。但是，当气相滞留期较长时(1.50 s)，生物油产率稍有下降。生物油是极性有机物与水的可溶混合物。因此，木屑快速热裂解生产液体燃料具有较大的潜力。     

木屑快速热裂解生物油特性及其红外光谱分析

该文以杨木木屑快速热裂解制取的生物油为原料,对其进行了理化特性研究及傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析,同时和甜高粱茎秆残渣热裂解生物油的特性进行了比较。结果表明,木屑生物油含水率较低（25.01%）,热值较高（20.62 MJ/kg）,常温下运动黏度为3.44 mm2/s,密度、灰分含量和残炭值分别为1072 kg/m3,0.305%,12.74%,且呈明显的酸性（pH=3.07）。随着温度的升高（25～100℃）,木屑生物油运动黏度明显降低。木屑生物油的较低含水率和较高热值,使其在应用方面优于甜高粱茎秆残渣生物油。然而,从傅立叶变换红外光谱图上不同位置的吸收峰可以判断木屑生物油含有多种官能团,实际应用之前需要进一步的精制。     

流化床系统参数对生物油产率的影响

为了进一步探明流化床系统参数对生物质热裂解产物生物油产率的影响规律而进行了热裂解液化试验。该研究以玉米秸秆为原料,采用山东理工大学研制的以氩气等离子体作为主热源的生物质快速热裂解液化流化床试验装置,以输入功率、氩气流量、压差和进料率为试验因子,生物油产率为试验指标,采用二次正交旋转组合的方法进行试验。并对试验结果利用Rada软件分析得出热裂解生物油产率的二次回归方程及该试验条件下生物油得最大产率的参数组合,即当输入功率为38.5 kW,氩气流量为2.0 m3/h,压差为200 mm,进料率为0.87kg/h时,最高生物油产率为58.45%。在试验条件下,可得压差和进料率是影响生物油产率的主要因素,而输入功率和氩气流量对其产率的影响相对较弱。     

混合金属盐对水稻秸秆热裂解特性的影响

为研究金属盐对水稻秸秆热裂解特性的影响,在Li2CO3-Na2CO3-K2CO3(LNK碳酸盐)中分别添加氯化盐和硫酸盐与水稻秸秆干混,采用热重分析与傅里叶变换红外光谱联用技术(thermogravimetric analyzer coupled with Fourier transform infrared spectrometry,TG-FTIR)研究了水稻秸秆的热裂解过程,并使用Coats-Redfern法计算了热裂解过程的动力学参数。结果表明:在LNK碳酸盐作用下,热裂解的活化能降低。与添加硫酸盐相比,氯化盐作用下热裂解活化能更低,热裂解反应更易进行。与纯水稻秸秆热裂解相比,LNK碳酸盐能使CO、CH4、苯酚、甲苯、甲酸和水等的浓度明显下降,而CO2浓度显著上升。在LNK碳酸盐基础上,氯化盐和硫酸盐均能促进水稻秸秆热裂解产物的生成和逸出。当温度高于550℃时,碳酸盐能催化Boudouard反应,氯化盐和硫酸盐均能促进该反应的进行。其中,Ni Cl2和Co Cl2对该反应的影响尤其明显。研究为生物质资源的高值化利用提供了一定的理论参考。     

玉米芯和桉木的低温热解特性

为实现生物质资源的分级综合利用,该文采用热重分析仪和裂解气质联用仪进行了对玉米芯和桉木低温热解特性的研究。试验结果表明不同生物质原料低温快速热解产物有明显差异,玉米芯的低温快速热解产物主要有乙酸、2,3-二氢-苯并呋喃和2-甲氧基-4-乙烯基苯酚,而桉木的产物主要是乙酸、糠醛和5,6-二氢-4-羟基-吡喃-2-酮。生物质低温快速热解产物种类较少,分布较为集中,玉米芯和桉木的酸类、呋喃类,桉木的吡喃类热解产物相对含量随温度上升而降低。生物质低温热解能有效分解其半纤维素,这为降低中温热解油的酸性和水分提供了理论指导。     

玉米秸秆在等离子体加热流化床上的快速热解液化研究

为了进一步研究生物质热解液化技术，寻找较为理想的生物油产率所对应的试验条件，设计制作了以等离子体为主热源的流化床热解液化装置，反应器的内径为52 mm，高1150 mm。以玉米秸秆粉为原料在不同温度、不同喂料速率下进行一系列的热解液化试验。试验结果表明：喂料速率在0.6～0.7 kg/h时，生物油产率较高；反应温度升高，生物油产率增高，但是当反应温度超过750 K时，产率反而随温度的上升而下降。使用色质联用仪(GC-MS)对生物油进行了成分分析，4种试验条件下制取生物油的主要成分均为乙酸、羟基丙酮、水、乙醛、呋喃等，试验条件不同各主要成分的相对含量有所不同。高含水量和含氧量降低了生物油的热值和稳定性，容易发生聚合反应，必须经过改性后才能应用。所采用的试验装置及试验方法亦可用于以其它原料获取生物油的研究。     

纤维素木聚糖和木质素含量对生物质热解特性及产物的影响

采用热重法研究了纤维素、木聚糖和木质素含量对生物质热解特性的影响,分析了三组分相互混合热解时的交互作用规律,及其对热解动力学参数的影响;同时,在生物质真空热解液化系统上考察了三组分含量对热解液化产物分布及生物油组成的影响。结果表明,纤维素热解较为剧烈,生物油中芳香族、糖类、醛类和醇类含量较高;木聚糖的热稳定性较差,生物油中芳香族、酮类和酸类物质较多;木质素热解较为平缓且固体残留物较多,生物油成分主要为芳香族化合物。纤维素对活化能和指前因子的影响较大,木聚糖和木质素对反应级数的影响较大;纤维素的热解有利于减少固体残留物,而木质素的热解产物有利于促进糖类的分解;木聚糖对纤维素的热解具有明显的抑制作用;木聚糖能促进木质素的低温热解,两者混合热解对生物油组成影响较小。因此,高纤维素含量的生物质可以获得更高的生物油产率,且适量的木质素有利于促进纤维素的分解,为进一步提高生物油产率和品质提供了理论依据。     

ZSM-5催化生物质三组分和松木热解生物油组分分析

为了更清晰地研究三大组分(纤维素、木聚糖、木质素)在介孔ZSM-5参与下的催化热解过程,该研究首先对生物质的三大基本组分和云南松木粉进行热解,然后在介孔ZSM-5催化剂存在的条件下对微晶纤维素、木聚糖、碱性木质素三大组分和云南松进行催化热解。采用气质联用仪对生物油的化学组分进行分析。通过对比ZSM-5参与前后的生物油的主要化学组分的变化,对催化剂的催化机理进行探究。研究结果表明,催化热解过程中,介孔ZSM-5将纤维素直接热解得到的β-D阿洛糖、糠醛、3-丙基戊二酸和2,4-戊二烯酸转化为1-甲基萘、2,6-二甲基萘,纤维素催化热解得到的生物油中的芳烃含量为63.89%。半纤维素催化热解过程中,催化剂将生物油中的糠醛从67.78%降低为2.66%,有效提高芳烃化合物,包括萘、2-甲基萘的含量,催化热解后得到的生物油中总芳烃含量达到36.81%。木质素催化热解过程中,介孔ZSM-5有效降低生物油中2,6-二叔丁基对甲酚的量(从82.33%降至77.97%),并大幅地提高1,8-二甲基萘和1,7-二甲基萘的量,生物油中总芳烃相对含量达到14.14%。云南松催化热解过程中,催化剂有效降低云南松直接热解得到生物油中2-甲氧基-4-甲基苯酚和(Z)-异丁子香酚的含量,并将芳烃化合物总量提高到53.99%(主要是1-甲基萘、1-亚甲基-1氢-茚和2,6-二甲基萘)。随着催化剂使用次数的增加,生物油中含氧化合物相对含量增加,烃类化合物的相对含量明显降低,从53.99%降至43.32%,元素分析结果表明生物油中的碳含量逐渐减少,氧含量逐渐增加。但是,催化剂经过焙烧再生后,催化活性基本完全恢复。     

生物质热裂解生物油精制的研究进展

生物质热裂解生物油的高含氧量、低热值和化学不稳定等特性在一定程度上影响了生物油的广泛应用,因此必须对生物油进行精制,以改善生物油的品质.该文从催化加氢、催化裂解、气相催化、水蒸气重整和乳化等方面详细阐述了生物油精制的研究进展,指出了生物油精制的发展方向,以期为生物油的应用提供参考.     

HZSM-5和MCM-41分子筛催化剂比例对油菜秸秆热解的影响

选取油菜秸秆为原料,利用不同比例均匀混合的HZSM-5/MCM-41进行在线催化热解油菜秸秆制备生物油试验,根据生物油有机相的理化特性、FT-IR、GC-MS分析和催化剂的BET分析结果,研究HZSM-5与MCM-41的混合比例对生物油品质的影响规律.结果表明随着混合催化剂中MCM-41质量分数的增加,生物油有机相产率、密度、运动黏度及O质量分数先减少后增加,C质量分数及高位热值先升高后降低,1,8-二甲基萘、对二甲苯、甲基萘等芳香烃类物质的选择性呈现先增加后减少的变化趋势,生物油有机相中羰基类物质的质量分数先减少后增加,酸性物质持续减少.当HZSM-5与MCM-41以1∶1混合时,生物油产率为18.68％,高位热值高达34.31 MJ/kg,生物油中烃类物质的质量分数为53.83％,羰基类物质的质量分数为6.35％.混合催化剂活性随MCM-41质量分数增加逐渐提高,当MCM-41质量分数超过50％时,混合催化剂的催化活性趋于稳定.     

改性HZSM-5催化生物质与塑料热解制备芳烃和生物炭

为了进一步提升生物油的品质,该研究采用竹材和低密度聚乙烯(Low-Density Polyethylene, LDPE)为原料,采用金属氧化物和HZSM-5(HZ)为催化剂催化生物质共热解,探索生物质与塑料的混合比例、金属氧化物的种类(HZSM-5、CaO、MgO、CeO_2、La_2O_3和SnO_2)、HZSM-5和MgO的混合比例以及组合方式(分层模式和混合模式)对生物质催化共热解制备生芳烃和生物炭的影响,同时对其添加效果进行分析。结果表明:LDPE和金属氧化物的添加可以有效的促进生物质的转化,降低了生物油的产率(9.76%～23.96%),提高生物油的品质和生物炭的石墨化程度,二者具有明显的协同效果,MgO促进了烷基酚的形成,CaO促进了烯烃的转化,而La_2O_3和SnO_2明显的促进是呋喃的生成。而且混合模式可以有效的提高芳烃的产率,当生物质:LDPE=1:1,HZSM-5:MgO=2:1时,芳烃含量最高为84.99%,苯、甲苯、二甲苯和乙苯(SBTXE)的总含量达到了60.09%,而甲苯和二甲苯含量分别达到了25.97%和16.91%,混合模式有效促进了苯、甲苯和二甲苯的选择性,分层模式有效促进了烷基苯的转化,且MgO的添加明显抑制了稠环芳烃的形成。     

不同Si/Al的氢型分子筛催化热解对生物油特性的影响

为考察对于氢型分子筛(HZSM-5)的Si/Al变化和添加量对生物质热解液化的影响,该文通过离子交换法制备HZSM-5催化剂,采用激光粒度分析仪、比表面积及孔径分析仪和X射线衍射仪对催化剂的粒度、孔隙及晶体结构等性质进行表征,并在最佳油产率温度下进行木屑的催化热解。对无催化剂和不同催化条件下得到的生物油进行气相色谱质谱联用分析,结果表明,分子筛作用下,生物油产率明显降低(最大降幅8%),含水率增加。同时,液体产物中醛类、酯类、酮类、呋喃等含氧化合物及酸含量均有所降低,提高了烃类和酚类的含量,峰面积百分比最高达到12.57%和39.36%,对催化剂催化调控改善生物油品质提供了一定的科学依据。