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《中国林业科学研究院》 2016年
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生物质棒状成型燃料热解过程和产物特性研究

杨华  
【摘要】:生物质成型技术是开发利用生物质资源的一项重要技术,它解决了生物质资源分布不集中、能量密度低、不便于运输和储存,需要体积较大的转化利用设备等缺点。随着生物质成型燃料深加工技术的发展,生物质棒状成型燃料热解炭化制备成型炭成为生物质成型燃料应用的重要方面,因为与成型燃料相比,成型炭是一种更为清洁、优质的能源,同时用途更为广泛。但是在棒状成型燃料热解炭化制备成型炭的过程中,会有副产品(焦油和气体)的产生,这些副产品目前并没有得到充分的利用,造成资源的浪费和环境的污染。因此,探究生物质成型燃料的热解过程和热解产品特性,有利于提高生物质能源的利用率和减少环境的污染,获得较大的社会经济效益。生物质棒状成型燃料热解是以制取高附加值的成型炭、生物油和气体产品为目标,实现转化过程的经济效益最大化,本研究以木屑棒状成型燃料、玉米秸秆棒状成型燃料、竹屑棒状成型燃料为原料,在固定床反应器上,通过一个较广泛的热解温度(250~950℃)范围,系统探究棒状成型燃料的热解行为和产物特性,为棒状成型燃料的利用和热解炭化反应器的设计提供理论依据。研究的主要内容及结论归纳如下:(1)温度是影响生物质棒状成型燃料热解过程和产品特性的最重要参数,本实验为了系统探究温度对棒状成型燃料热解的影响,选择的热解温度范围为250~950℃;通过对固体产品做工业分析、元素分析、热值分析、FT-IR分析、SEM分析方法来研究成型炭的物理化学特性;借助于GC/MS分析,来确定生物油中主要成分和相对含量;对气体产品做GC分析以确定气体产品的组成和含量;通过对热解产品产量和性质的分析来确定较佳的热解温度范围。通过对木屑棒状成型燃料分别添加两种不同种类的催化剂(CaO和K2CO3),来探究催化剂对其热解行为的影响。(2)通过对棒状成型燃料的热解行为和产品特性的探究分析,得到较佳的热解温度范围为450~650℃,在此温度范围内,木屑棒状成型燃料的固体、生物油和气体产品的产量分别为26%~22%、51%~37%和22%~42%;成型炭产品的热值达到了29.14~30.21 MJ/kg,生物油中酚类化合物的相对含量最高,达到了50%左右;热解气体产品的热值为11.79~14.85 MJ/Nm3,接近中值燃气的热值。对玉米秸秆棒状成型燃料热解探究发现,在450~650℃范围内,固体、生物油和气体产品的产量分别为40%~35%、35%~30%和25%~36%左右;成型炭中的无机矿物质灰分含量高达35%左右,热值仅为16.07~17.80 MJ/kg,生物油组成以酚类化合物和呋喃类化合物为主;热解气体产品的热值为9.32~13.07 MJ/Nm3。对竹屑棒状成型燃料热解研究发现,在450~650℃范围内,固体、生物油和气体产品的产量分别为24~20%、53~40%和23~40%左右,竹屑成型炭的热值为30.61~31.74 MJ/kg,竹屑成型炭的基本性质与木屑成型炭接近;生物油组成主要是酚类化合物、呋喃类化合物和酮类化合物;热解气体产品热值为11.26~14.61 MJ/Nm3,与木屑棒状成型燃料热解气体产品接近。因此,木屑和竹屑棒状成型燃料比玉米秸秆棒状成型燃料更适合作为热解炭化制备成型炭的原料。(3)对木屑棒状成型燃料分别添加质量分数10%CaO和10%K2CO3两种催化剂,在650℃下的热解研究发现,两者都增加了固体炭的产量,降低了生物油和气体产品的产量,且K2CO3催化作用强于CaO;固体炭的SEM分析得到,CaO催化剂使炭的表面产生了很多小气囊形状的突起,K2CO3催化剂使炭的表面形成了很多分布细密的小孔,两种催化剂都增加炭的比表面积;CaO催化剂增加了稠环芳烃的含量,K2CO3催化剂增加了生物油中酚类化合物的含量;分别添加两种催化剂后,热解气体组成的含量发生变化,但热值基本保持不变。
【关键词】:棒状成型燃料 热解 固定床 温度 催化剂 产物特性
【学位授予单位】:中国林业科学研究院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TK6
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-15
  • 第一章 绪论15-28
  • 1.1 引言15-18
  • 1.1.1 研究背景16-17
  • 1.1.2 研究目的及意义17-18
  • 1.1.3 研究来源与经费支持18
  • 1.2 生物质成型燃料技术18-20
  • 1.2.1 生物质成型燃料技术简介18-19
  • 1.2.2 国外生物质成型技术发展现状19-20
  • 1.2.3 国内生物质成型技术的发展现状20
  • 1.3 生物质热解技术20-24
  • 1.3.1 生物质热解技术简介20-22
  • 1.3.2 国内外生物质热解技术发展现状22-24
  • 1.4 生物质热解主要影响因素24-26
  • 1.4.1 生物质原料的影响24
  • 1.4.2 热解温度的影响24-25
  • 1.4.3 升温速率的影响25
  • 1.4.4 停留时间的影响25
  • 1.4.5 催化剂的影响25-26
  • 1.5 主要研究内容和研究目标26-27
  • 1.5.1 主要研究内容26
  • 1.5.2 研究目标26-27
  • 1.6 技术路线27
  • 1.7 论文创新点27-28
  • 第二章 木屑棒状成型燃料热解过程和产物特性研究28-45
  • 2.1 引言28
  • 2.2 实验原料、装置和方法28-32
  • 2.2.1 实验原料28-30
  • 2.2.2 实验装置和方法30-31
  • 2.2.3 热解产品特性分析方法31-32
  • 2.3 结果与讨论32-43
  • 2.3.1 温度对木屑棒状成型燃料热解产品产量的影响32-33
  • 2.3.2 木屑成型炭性质分析33-38
  • 2.3.3 生物油组成分析38-41
  • 2.3.4 热解气性质分析41-43
  • 2.4 本章小结43-45
  • 第三章 玉米秸秆棒状成型燃料热解过程和产物特性研究45-56
  • 3.1 引言45
  • 3.2 实验原料、装置和方法45-46
  • 3.2.1 实验原料45-46
  • 3.2.2 实验装置和方法46
  • 3.2.3 热解产品特性分析方法46
  • 3.3 结果与讨论46-55
  • 3.3.1 温度对玉米秸秆棒状成型燃料热解产品产量的影响46-47
  • 3.3.2 玉米秸秆成型炭性质分析47-51
  • 3.3.3 生物油组成分析51-52
  • 3.3.4 热解气性质分析52-55
  • 3.4 本章小结55-56
  • 第四章 竹屑棒状成型燃料热解过程和产物特性研究56-67
  • 4.1 引言56
  • 4.2 实验原料、装置和方法56-57
  • 4.2.1 实验原料56-57
  • 4.2.2 实验装置和方法57
  • 4.2.3 热解产品特性分析方法57
  • 4.3 结果与讨论57-66
  • 4.3.1 温度对竹屑棒状成型燃料热解产品产量的影响57-58
  • 4.3.2 竹屑成型炭性质分析58-62
  • 4.3.3 生物油组成分析62-64
  • 4.3.4 热解气性质分析64-66
  • 4.4 本章小结66-67
  • 第五章 木屑棒状成型燃料催化热解研究67-73
  • 5.1 引言67
  • 5.2 实验原料、装置和方法67-68
  • 5.2.1 实验原料67
  • 5.2.2 实验装置和方法67-68
  • 5.2.3 热解产品特性分析方法68
  • 5.3 结果与讨论68-72
  • 5.3.1 催化剂对木屑棒状成型燃料热解产品产量的影响68-69
  • 5.3.2 催化剂对成型炭性质的影响69-70
  • 5.3.3 催化剂对生物油组成的影响70
  • 5.3.4 催化剂对热解气组成的影响70-72
  • 5.4 本章小结72-73
  • 第六章 结论与展望73-76
  • 6.1 主要结论73-75
  • 6.2 展望75-76
  • 参考文献76-82
  • 在读期间学术研究82-83
  • 致谢83

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