论文摘要
与石化能源相比,生物质能具有环境友好和可再生两大突出优点。目前,生物质能的利用与转化受到世界各国政府与科学家的广泛关注,其技术研发已成为重大热门课题之一,其中,生物质热转化技术是生物质能源研究与开发的重要领域之一。生物质热转化技术主要包括直接燃烧、热解气化、热解液化等,而生物质热解液化技术以其能提供替代液体燃料的优势而备受重视。生物质快速热解液化技术以高加热传热速率、中等温度及极短停留时间、快速冷凝为基本特征,以液体产物生物油为目标产品,具有能够将低品位、低能量密度的生物质转化为高品位的易储存运输、能量密度高且具有商业价值的固态、液态及气态燃料的优势。国内外对麦秸、稻草、玉米秆以及木屑等热解液化研究较多,对油料秸秆的热解液化研究鲜见报道。本论文针对油料作物秸秆废弃物尚未很好利用这一现实问题,在研究建立生物质快速热解液化实验台架装置的基础上,对油菜、花生、芝麻等油料秸秆进行了品质分析、能值评价、预处理与热解液化实验研究,并对其产品生物油进行了结构与组分分析,得出如下结论:1、油料秸秆的品质与预处理技术研究（1）对油料秸秆进行了工业分析、元素分析和热值分析,结果表明:油菜、花生、芝麻等油料秸秆灰分含量在5%左右,水分含量为10%左右;纤维素含量较高,其中花生秸秆最高,达45%,半纤维素、木质素相对较低,热值为16～18MJ·kg-1,根据快速热解液化有关机理,认为油料类秸秆适宜作为快速热解液化的原料。油料秸秆中C、H、O三种元素含量之和均为98%左右,同时还含有少量的N元素和S元素,其中,花生秸秆中N元素含量最高,为1.57%,而油菜秸秆中S元素含量最高,为0.85%,与花生、油菜作物自身特性是一致的。（2）对油料秸秆预处理技术进行了研究,结果表明:水洗酸洗并经烘箱干燥可几乎全部脱除油菜秸秆中灰分,并降低水分含量,相比于未脱灰的秸秆,脱灰处理使得秸秆中纤维素与半纤维素的含量分别提高了9%、5%,说明其物化特性有所改善,对探索脱灰处理对生物质热解影响具有重要意义。油料秸秆经干燥、粉碎、筛分等处理后,其粒径Dp≤0.9 mm,可满足生物质快速热解的工艺需要。2、油料秸秆的快速热解液化研究（1）首次对油料秸秆快速热解液化工艺进行了系统研究,结果表明:流化床反应器适用于油料秸秆的快速热解液化,在热解温度450～550℃、进料速度2kg·h-1、吹料风速10m·s-1、流化风速15m·s-1的条件下,能够得到较高产率的生物油。（2）探讨了原料种类、粒径、热解温度及脱灰处理对油料秸秆热解产物的影响,结果表明:3种油料秸秆纤维素、半纤维素及木质素含量不同,其热解得到的生物油产率不同,其中纤维素含量最高的花生秸秆热解生物油产率最高,达50%,其次是芝麻秸秆,为45%,最后是油菜秸秆,为42%;温度是影响秸秆热解的关键因素之一,在450～480℃之间,生物油产率随温度升高而增加,高于480℃时,二次裂解反应的加剧导致生物油产率的下降。不冷凝气体产率始终呈现出随温度升高而递增的趋势,而焦炭产率则随温度升高而降低。（3）对油菜秸秆进行脱除灰分处理后其生物油产率提高了14%,达56%,同时发现其最佳热解温度提高了20～30℃。3、油料秸秆生物油的分析与评价（1）对油料秸秆热解生物油的物化特性进行了研究,结果表明:油料秸秆生物油为棕黑色液体状,常温下pH为2.65～3.80,酸性较强;闪点虽然较低,为43℃左右,但因含水量达35%左右,因此着火性能较差;粘度为4.64～5.64mm2·s-1,倾点为-28～-19℃,凝点一般比倾点低2～5℃,低温流动性能较好;密度为1127～1154kg·m3,高于化石燃料;灰分低于1%,残炭为10%左右;生物油热值为18～21MJ·kg-1,约为化石燃料的一半;元素分析结果表明,生物油的氮、硫含量低,清洁、污染小,但碳氢比较低,为0.65左右,氧含量较高,达42%～47%,有待进一步改性或精制,提升其品质与价值。（2）利用FTIR和GC-MS等手段对油料秸秆生物油结构与组分进行了分析,表明生物油组分复杂,主要含有多元酚、酮、酯、醇、醛及有机酸类等。原料来源不同,在相同的分析条件下,可检测到的化合物组分及其含量有显著差别,其含量高低顺序与生物油产率的高低顺序一致,对于生物质快速热解液化原料的选择以及开展生物油的应用技术研究具有重要的指导意义。脱灰处理除可提高生物油产率外,还对生物油组成有较大的影响。与油菜秸秆生物油相比,在相同分析条件下,脱灰油菜秸秆生物油中可检测到的化合物含量要高2倍,尤其酮类和酚类化合物含量,分别比油菜秸秆生物油高16%和10%左右。