神府煤与葵花秆水解残渣共热解试验研究

论文摘要

本文选用神府3-1煤和陕北葵花秆为原料,研究其在N2气氛下固定床反应器中的热解反应性。首先对葵花秆稀硫酸水解和纤维素酶解条件进行了优化研究。然后通过单独热解、常规共热解、梯级共热解和二段式耦合热解探讨了神府煤与生物质在热解过程中的协同效应,分析了葵花秆及其水解残渣对神府煤热解规律的影响。葵花秆稀硫酸水解最佳试验条件为:时间60 min,固液比1/30,温度120℃,糖产率达到19.1%。纤维素酶解最佳工艺条件为:时间12 h,底物浓度1/40,温度55℃,酶用量700 U·g-1,酶解率可达到53.39%。采用热重分析方法对葵花秆、葵花秆水解残渣和神府煤的热解特性进行了比较研究。在水解残渣的热解曲线上,可观察到半纤维的热解峰。与神府煤相比,葵花秆及其水解残渣热解所需温度较低,相差80～100℃左右。葵花秆及其水解残渣热解焦油收率随热解终温的升高呈现增加趋势,均在500℃时达到最大值。比较葵花秆及其水解残渣的热解产物发现,马来酸水解残渣的焦油收率最高约为26%,比葵花秆原样高出5%左右。马来酸水解残渣和纤维素酶解残渣在600℃下热解能够得到更多的H2和CH4气体。神府煤热解过程中,随着温度的升高,其焦油收率显著增加,在650℃时达到最大值约为13%。CH4产率在500℃时达到最大值约为5.9 mL·mg-1,H2产率在550℃时达到最大值约为2.9 mL·mg-1。神府煤与葵花秆及其水解残渣常规共热解时,对热解焦油收率影响不大。从热解水产率和煤气收率方面看,煤与生物质在热解过程中产生了协同作用,促进了水分和煤气的生成。添加葵花秆原料时,促使共热解煤气中H2和CH4的生成量增加最多,分别提高了3.0 mL·mg-1左右。神府煤与葵花秆及其水解残渣梯级共热解过程中,350℃时,煤与葵花秆之间产生协同作用,神府煤促进了葵花秆热解焦油的生成,焦油收率相较于计算值4.8%,提高到6.5%左右;500℃时,马来酸水解残渣的热解半焦与神府煤之间产生协同作用,对神府煤热解的促进作用显著,焦油收率相较于计算值5.2%,提高到11.2%左右;650℃时,马来酸水解残渣的热解半焦与神府煤半焦之间产生协同作用,促使共热解焦油收率提高到5.3%,相较于计算值高出2.4%左右。神府煤与葵花秆及其水解残渣二段式耦合热解过程中,从水产率和煤气收率方面看,两者产生协同作用,对煤气和水的生成起促进作用。神府煤与马来酸水解残渣共热解时,产生的H2和CH4量最大,分别比计算值提高了3.4 mL·mg-1和4.5 mL·mg-1。共热解工艺组合中,梯级热解工艺是实现煤与生物质协同共热解的有效方法。通过共热解机理分析得知,较低温度下CO和CO2大量析出主要来源于木质素的热分解;神府煤与葵花秆及其水解残渣共热解过程中存在协同作用,而提高煤与生物质共热解协同作用的关键是提高氢自由基的有效转移。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 生物质及煤的热解以及共热解的机理研究
• 1.2.1 煤的热解
• 1.2.2 生物质热解
• 1.2.3 生物质与煤的共热解研究
• 1.3 生物质的水解研究
• 1.4 研究内容和方案
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方案
• 1.4.3 实验装置及工艺
• 1.4.4 技术路线
• 2 实验部分
• 2.1 试验原料及处理
• 2.2 主要试验仪器及设备
• 2.3 葵花秆中主要成分的检测方法
• 2.4 葵花秆的水解试验
• 2.4.1 稀酸水解试验
• 2.4.2 酶解试验
• 2.4.3 水解产物的表征
• 2.5 热重分析
• 2.6 固定床热解试验
• 2.6.1 煤及生物质的热解
• 2.6.2 常规共热解试验
• 2.6.3 梯级共热解试验
• 2.6.4 二段式耦合热解试验
• 2.6.5 热解产物的表征
• 3 葵花秆水解研究
• 3.1 葵花秆稀酸水解研究
• 3.1.1 影响葵花秆酸水解的因素研究
• 3.1.2 葵花秆稀硫酸水解正交试验研究
• 3.1.3 水解残渣的组成及结构分析
• 3.2 葵花秆纤维素酶解研究
• 3.2.1 葵花秆酶解的影响因素研究
• 3.2.2 葵花秆纤维素酶解正交优化试验研究
• 3.3 本章小结
• 4 神府煤与葵花秆及其水解残渣的热解特性研究
• 4.1 热重分析
• 4.1.1 神府煤与葵花秆及其水解残渣热解性能比较分析
• 4.1.2 神府煤与葵花秆及其水解残渣单独热解的动力学研究
• 4.2 葵花秆及其水解残渣固定床热解研究
• 4.2.1 热解终温对产品收率的影响
• 4.2.2 热解产物的组成与结构分析
• 4.3 神府煤固定床热解研究
• 4.3.1 热解终温对产品收率的影响
• 4.3.2 热解产物的组成与结构分析
• 4.4 神府煤与葵花秆及其水解残渣热解特性比较
• 4.4.1 焦油组成及结构比较研究
• 4.4.2 气体组成比较研究
• 4.5 本章小结
• 5 神府煤与葵花秆水解残渣共热解特性研究
• 5.1 常规共热解研究
• 5.1.1 常规共热解的产品收率分析
• 5.1.2 常规共热解产物的组成及结构分析
• 5.2 梯级共热解研究
• 5.2.1 梯级共热解的产品收率分析
• 5.2.2 梯级共热解产物的组成与结构分析
• 5.3 二段式耦合热解研究
• 5.3.1 二段式耦合热解的产品收率分析
• 5.3.2 二段式耦合热解产物的组成与结构分析
• 5.4 共热解机理分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 论文的主要结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 图索引
• 表索引
• 附录