生物质及其气化焦油的热解及动力学特性与机理

论文摘要

目前的能源绝大部分来源于化石资源,而大量使用化石原料不可避免的带来能源危机以及大气二氧化碳浓度增加等环境污染问题,因此开发可再生、可循环使用的新能源迫在眉睫。生物质能以其自身的优点(低污染性、可再生性等)越来越受到人们的重视,而热解是未来最有前景的生物质利用方式之一。通过对生物质的热解特性及动力学机理研究,为进一步利用生物质提供了一定的理论基础。利用综合热分析仪,在高纯氮气气氛下,进行了不同升温速率、粒径、压力、含金属元素化合物的生物质和生物质焦油的热重法研究,分析建立了生物质和生物质焦油热解反应动力学模型,并在此基础上选取了最适合的机理函数,求出了对应的动力学参数;然后对生物质、生物质焦油、污泥和煤矸石几种不同物质的热解特性和机理进行了比较;最后利用实际的焦油,在自建的固定床催化裂解装置上,对生物质焦油在CaO作用下的催化裂解进行了初步实验研究,并研究了裂解温度、催化剂长度对焦油催化效果的影响。研究表明:1)随着升温速率的增加,生物质的热解特征温度升高,并与升温速率呈线性关系,热解释放速率变大,挥发分释放特性指数值越大,热解更剧烈;随着压力的升高,四种生物质的热解特征温度均有所降低,半峰宽也随着压力的升高而减少,最大挥发分释放速度峰值( dw /dτ)max随着压力的提高而增加;随着含金属元素化合物的加入,生物质挥发分释放更剧烈,释放高峰提前,热解反应向低温区移动,热解区变窄;粒径对不同样品呈现不同的规律。2)随着升温速率的增加,生物质焦油达到最大失重速率的温度有所提高,DTG峰变宽;随着压力的升高,生物质热解焦油的热解特征温度降低,热解反应区间向低温区移动;加入含金属元素化合物后对生物质焦油的热解具有明显的促进作用。3)研究结果表明,除稻壳、玉米芯和生物质焦油的第一阶段可以用相界面R2模型很好的描述,其余各生物质和各阶段均符合一级反应模型。4)四种类别(生物质、生物质焦油、煤矸石和污泥)的物质热解特性及机理分析比较得出,煤矸石属于高灰分低挥发分物质,而污泥和生物质属于高挥发分物质;四种物质的热解曲线相似,均可以分为三个阶段:脱水阶段,挥发分析出阶段和炭化阶段;初析温度分别为生物质焦油<生物质<污泥<煤矸石;生物质的热解区间主要集中在低温段,挥发分析出阶段,DTG上有个明显的失重峰,污泥有两个热解区间,煤矸石的热解区间主要在中高温段,DTG上有双峰;活化能的大小为生物质焦油<生物质<污泥<煤矸石;四种物质符合不同的热解机理,四种生物质除稻壳和玉米芯的热解第一阶段符合相界面R2模型,其余各生物质和各阶段均符合一级反应模型;煤矸石在热解初始阶段(小于560℃)服从三维球对称扩散机制,热解后期(大于560℃)服从级数为3/2的化学反应;污泥服从简单反应级数机理;生物质焦油在第一阶段符合相界面R2模型,其余两阶段均符合一级反应模型。5)焦油裂解率随着裂解温度和催化剂长度的增加而增加。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 论文选题背景及课题来源
• 1.2 生物质和生物质焦油热解机理及动力学特性的研究
• 1.2.1 生物质热解机理
• 1.2.2 生物质热解特性及反应动力学研究进展
• 1.2.3 生物质焦油热解特性研究进展
• 1.3 国内外生物质焦油催化裂化的研究进展
• 1.3.1 焦油的定义及危害
• 1.3.2 国内外的研究进展
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 2 生物质热解及动力学特性分析
• 2.1 实验设备及方法
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 实验方法
• 2.1.3 实验试样
• 2.2 生物质的工业分析
• 2.2.1 水分的测定
• 2.2.2 灰分的测定
• 2.2.3 挥发分的测定
• 2.2.4 固定碳的测定
• 2.3 生物质热解特性
• 2.3.1 热解曲线的特征参数
• 2.3.2 单一组分生物质热解特性分析
• 2.3.3 工业分析与热解分析的对比
• 2.4 生物质热解特性影响因素分析
• 2.4.1 升温速率的影响
• 2.4.2 压力的影响
• 2.4.3 含金属元素化合物的影响
• 2.4.4 粒径的影响
• 2.5 生物质热解机理和动力学特性分析
• 2.5.1 生物质热解反应的动力学理论
• 2.5.2 动力学参数的求解
• 2.6 小结
• 3 焦油热解及动力学特性分析
• 3.1 主要仪器与方法
• 3.2 焦油热解特性分析
• 3.3 焦油热解特性影响因素分析
• 3.3.1 升温速率的影响
• 3.3.2 压力的影响
• 3.3.3 含金属元素化合物的影响
• 3.4 焦油热解机理和动力学特性分析
• 3.4.1 焦油热解反应动力学模型的建立
• 3.4.2 机理方程的选择方法
• 3.4.3 焦油热解反应动力学参数的计算
• 3.5 小结
• 4 生物质焦油、生物质与煤矸石、污泥热解特性比较分析
• 4.1 工业分析结果的比较
• 4.2 热解特性参数的比较
• 4.3 动力学参数的比较
• 4.4 小结
• 5 生物质焦油催化裂解的初步实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统
• 5.2.1 实验原料与装置
• 5.2.2 焦油的收集
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 裂解温度的影响
• 5.3.2 催化剂添加长度的影响
• 5.4 小结
• 6 结论
• 6.1 本文主要结论
• 6.1.1 生物质的热解特性
• 6.1.2 生物质焦油的热解特性
• 6.1.3 生物质、生物质焦油、煤矸石和污泥的热解特性比较分析
• 6.1.4 生物质焦油的催化裂解实验研究
• 6.2 进一步研究工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文