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《中国林业科学研究院》 2003年
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生物质热化学转化行为特性和工程化研究

蒋剑春  
【摘要】: 生物质能是可再生能源十分重要的组成部份,资源十分丰富,是取之不竭的可持续利用的能源。它的合理、高效开发利用,对解决人类的能源危机和改善人们生存环境起着十分积极作用。 热化学转化技术是生物质高效利用的主要途径,国内外专家学者密切关注的研究开发热点。本文对热化学转化的快速热解行为特性、热解动力学、催化气化行为特性和催化气化技术工程化适应性,四个不同层面进行研究对比分析。通过基础和工程化研究对生物质的热化学利用的快速热解和气化机理和反应特性进行定性或定量的描述。 1、生物质的快速热解是近十年来,热化学转化应用研究的重点。通过快速热解的技术,将生物质转化成可以进一步加工处理的生物油,作为石油液体燃料的代用品。本论文中研究了快速热解的工艺条件对固、液、气相产品的产物量和组份的分布情况的相关性。结果表明:快速热解在相同的升温速率和停留时间下,随着热解温度的提高,气相产物量增加,液相和固相产物量减少,而固相产物的减少速率要远低于液相产物的减少速率。液相产物得率在温度500℃左右,达到最大值。该反应温度为生物质中木素热解的温度区域,也应该是生物质热解制取液相产品的最佳温度。 快速热解反应时,其所产生的分解产物在反应炉内的停留时间应该尽可能短,避免产物在炉内的停留时间过长引起二次或多次裂解,以利于液相产物的得率增加。在550℃左右的快速热解液体产物中的成份主要是2,6-二甲氧基苯酚、4-甲基丁香醇、2,6-二甲氧基-4-甲基苯酚等一次裂解化合物和少量的甲酸。温度升高到850℃时出现了单体苯酚,并出现大量的丁酮、甲酸、乙酸、乙醇、丁酸、甘油等低分子量的化合物。产生了二次或多次裂解的产物。 快速热解的气体产物中主要有CO和CO2组份,占总量的80%以上。其它 WP=5 尚有CH4和CnCm等少量的烷烃类气体产物。气体产物的含量和数量的变化主要取决于热解反应的升温速度和炉内的停留时间。反应温度高,停留时间长有利于气相产物的形成。本研究的目的主要是为了得到液相产物,所以采用低温和短停留时间的快速热解工艺条件,以望获得高的液相组份产率。 2、生物质热解化学反应动力学研究的分析测试结果表明:在不同的升温速度情况下,生物质的热解反应机理和过程发生变化,在4.2℃/min和40℃/min的升温速度下,两者反应的TG-DSC-T曲线有相似之处,均出现明显的吸热峰,而在反应的后期即390℃以后,升温速度 为4.2℃/min时,热解化学反应动力学模型已经不能用传统的数学模型表示,其反应速率与速度显示了一个线性关系。40℃/min升温速度时,在385~490℃拐点范围内,亦不能用通常使用的数学模型公式描述。在490~700℃的反应温度范围内,用数学模型可以表示,且线性回归的相关性很好。其反应活化能为29.53KJ/mol,大大低于人们通常试验的数据(一般为70~110 KJ/mol)。10℃/min和20℃/min的升温速度时,其热解反应TG-DSC-T曲线相近,且它们的反应动力学数学模型基本符合传统的表示方法。这个研究表明,不同升温速度决定了反应的过程。研究的结果可以推论,快速热解反应的机理将不同于人们通常描述的步骤进行,相应的反应活化能这一重要的物理参数会发生很大变化。这对研究快速热解反应的机理和进一步工程化应用研究起到启示和指导作用。 3、生物质的气化是热解的继续,属于气固反应。对生物质催化气化研究表明:用水蒸汽作为气化剂时,可以制取富H2和CO的气体,提高气化反应温度可以使CO2的含量下降,CO的含量提高。本研究对生物质定向气化制取合成气原料,取得很好效果。对气化过程采用添加催化剂,能提高H2和CO的含量,同时对CO2和CH4的产生起到抑制作用。气化温度应在780℃左右,催化剂添加量为4%左右为佳。这时,催化气化的气化反应速率最大。就催化剂而言,K2CO3的催化效果,在提高气化反应速率 ,降低活化能方面,比Na2CO3 WP=6 表现出了更优的性能,合适的催化剂种类和添加量,将会大大提高气化反应的气体产量。因此,对生物质气化而言,定向气化制取人们所期望的富H2和CO,采用添加催化剂是可行的。催化气化为工程化应用推广过程中,降低反应温度,提高气化强度,制取合成气原料,提供了一条很好的途径。 4、本文用目前生物质气化技术主要使用的气化炉型,进行了热解气化和添加催化剂试验,研究气化技术和设备的适应性。为生物质的快速热解、热解气化和催化气化技术在工程应用研究的开展,奠定了基础。 对于木片、木块和秸秆等农林加工剩余物,其含水率不超过25%的,均可使用下吸式气化炉,其气体焦油含量低,含灰份少,对气化炉产生的气体,直接用含镍催化剂处理,发现能提高气体热值,最高可达7230KJ/NM3。这一发现对改变目前下吸式气化炉热值普遍偏低的状况,有着十分积极的意义。 要求气体热值比较高,原料含水率在20%以上,低于43%时使用上吸式气化炉是合适的。物料与气流逆流而动,有利于热解气的形成,热解气也较少发生二次热解,所以气体的热值高,但是气体中的焦油含量也高,气体净化处理比较困难,所以目前对物料含水率≤20%的都使用下吸式气化炉,以牺牲煤气热值,换取低焦油含量的气
【学位授予单位】:中国林业科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:X382

【引证文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
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9 周勇;清洁生物质秸秆能源研究进展[J];应用化工;2005年10期
10 胡冠;徐绍平;刘淑琴;;生物质催化气化制氢催化剂研究进展[J];林产化学与工业;2005年S1期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 蒋剑春;金淳;张进平;应浩;郑文辉;戴伟娣;刘石彩;陶渊博;;生物质催化气化工业应用技术[A];中国太阳能学会生物质能专业委员会论文集[C];2001年
2 蒋剑春;应浩;戴伟娣;刘石彩;高一苇;张进平;金淳;;生物质流态化催化气化技术工程化研究[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
3 王铁军;常杰;崔小勤;张琦;付严;;生物质催化气化制取合成气的研究[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集(上册)[C];2006年
4 常杰;吕鹏梅;王铁军;付严;;生物质催化制氢机理研究[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
5 郝小红;郭烈锦;;催化剂在生物质超临界水催化气化制氢中的作用[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
6 李在峰;雷廷宙;丁鸣;崔峻贞;胡建军;;生物质热解制炭制气系统研究[A];2004年中国生物质能技术与可持续发展研讨会论文集[C];2004年
7 李斌;顾万春;;马褂木群体的生物质变异及早期预测研究[A];面向21世纪的中国林木遗传育种——中国林学会林木遗传育种第四届年会文集[C];1997年
8 胡立斌;许勇;解思卓;胡常伟;;毛竹原生生物质中各组分的溶剂热分步热解转化[A];中国化学会第28届学术年会第1分会场摘要集[C];2012年
9 刘伟杰;袁红莉;杨金水;;组合工艺处理高COD生物质废水[A];第十次全国环境微生物学术研讨会论文摘要集[C];2007年
10 吕鹏梅;常杰;付严;吴创之;;生物质催化裂解实验研究[A];2004年中国生物质能技术与可持续发展研讨会论文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者  蒋建科;生物质制气炉 把秸秆变成优质燃气[N];人民日报;2006年
2 董志强 尹元渤;武城“生物煤”畅销日韩[N];德州日报;2010年
3 记者 陈敬农;蚌埠生物质产业将成新亮点[N];科技日报;2006年
4 杨云锦;云南打造林木生物质能源林基地[N];中国绿色时报;2006年
5 记者 周明江;我区开展生物质压缩成型燃料试点工作[N];西藏日报;2009年
6 戴红;九三学社中央考察生物质能源开发利用[N];团结报;2007年
7 记者 韩倩;省柴火 升温快 功能多[N];北海日报;2008年
8 州委政研室 曲应华;对农村使用生物质燃气炉的几点建议[N];楚雄日报(汉);2009年
9 记者 齐芳;生物质能源替代传统能源在广西形成产业[N];光明日报;2005年
10 记者  顾钢;看我怎样把太阳能装入油箱[N];科技日报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 蒋剑春;生物质热化学转化行为特性和工程化研究[D];中国林业科学研究院;2003年
2 冒海燕;微波活化生物质炭制备尧结构与吸附性能研究[D];南京林业大学;2013年
3 张阿凤;秸秆生物质炭对农田温室气体排放及作物生产力的效应研究[D];南京农业大学;2012年
4 李涛;生物质发酵制氢过程基础研究[D];郑州大学;2013年
5 王述洋;生物质热解动力学建模及锥式闪速热解装置设计理论研究[D];东北林业大学;2002年
6 张晓东;[D];浙江大学;2003年
7 刘圣勇;生物质(秸秆)成型燃料燃烧设备研制及试验研究[D];河南农业大学;2004年
8 杨富国;超滤及电化学技术在冶金及生物质降解中的应用[D];中南大学;2002年
9 李世光;煤热解和煤与生物质共热解过程中硫的变迁[D];大连理工大学;2006年
10 宋春财;农作物秸秆的热解及在水中的液化研究[D];大连理工大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘金刚;固体热载体法褐煤和生物质催化气化工艺研究[D];大连理工大学;2006年
2 李滨;生物质热解实验及转锥式生物质热解反应器设计理论研究[D];东北林业大学;2002年
3 许明;生物质中热值热解制气技术试验与应用研究[D];浙江大学;2002年
4 何鸿玉;生物质气化烤烟系统的研制[D];河南农业大学;2002年
5 朱慧;生物质在落下床中热解和气化制富氢气体[D];大连理工大学;2005年
6 王天岗;生物质热解释氢过程的实验研究[D];山东理工大学;2006年
7 王栋;生物质热裂解实验研究及热裂解产物利用[D];浙江大学;2004年
8 张红岗;固体热载体催化气化生物质制氢工艺研究[D];大连理工大学;2005年
9 许敏;生物质热解气化特性分析与试验研究[D];天津大学;2008年
10 钟浩;以蒸汽为气化剂的生物质热解和完全气化技术研究[D];云南师范大学;2000年
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