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玉米秸秆热解及在甲醇中的热化学转化研究

石玉良  
【摘要】: 自20世纪以来,出于环境保护及应对石化资源危机的考虑,充分有效地利用可再生的生物质资源成为人们研究关注的热点。本文针对我国西北地区具有代表性的生物质资源-玉米秸秆热解反应的动力学进行了研究,考察了玉米秸秆在低温高压和高温常压下的热解特性及热解残炭的气化特性。采用甲醇溶剂,在超临界条件下、添加不同碱性催化剂的件下进行玉米秸秆的热化学转化研究,并考察了反应温度、液比及催化剂添加量对热化学转化产物收率的影响,研究结果表明: 1)玉米秸秆热解过程可分为三个阶段,预热脱水段(室温~150℃)、热解段(150℃~400℃)和残留物的缓慢分解段(400℃)。玉米秸秆快速热解失重过程主要发生在第二段,升温速率对玉米秸秆热解失重温度区间影响不大。 2)在不同的升温速率下,玉米秸秆热解过程中升温速率与最大失重速率对应的温度呈线性关系。考察玉米秸秆热解过程应在同一升温速率下进行以消除升温速率的影响。在消除升温速率影响下的玉米秸秆热解过程中最大失重速率对应的温度为309℃。因此研究玉米秸秆热解特性应在同一升温速率下进行。 3)以309℃左右为分界点,低于309℃为热解的低温区;大于309℃为热解高温区。低温区玉米秸秆热解反应级数为1,热解活化能为25KJ/mol左右;高温区玉米秸秆热解反应级数在2左右,活化能在16KJ/mol~25KJ/mol之间。 4)玉米秸秆在低温加压条件下热解时,不利于CO的生成,有利于H2,CH4,CO2的生成,将气体进行净化后可获得8860.64KJ/m3热值的清洁气体燃料。玉米秸秆在高温常压条件下热解时,随着温度的升高,其气体产品中的可燃组分增加,特别是H2的含量增加明显。 5)玉米秸秆热解(700℃)残留炭,在700℃~900℃的温度下水蒸气气化,热值可达9508.90 KJ/m3,气化气体中H2的含量可达55%,CO含量可达26%。高温残炭气化产生的气体中H/C约为2,在气化气中两者的有效含量可达80%。 6)反应温度、液比和催化剂用量都对玉米秸秆的液化反应产生影响。比较而言,温度是生物质液化反应的主要影响因素。 7)四种碱性物质CaO、K2CO3、Na2CO3和KOH对玉米秸秆热化学转化都有促进作用。以液体产物为目的产物,其催化能力为:KOHCaO K2CO3 Na2CO3;以原料的转化率基准,其催化能力为:K2CO3 KOH Na2CO3CaO。 8)以液体产物为目的产物时,甲醇体系中以四种碱性物质为催化剂时获取最大液体产率的最佳工艺条件是:液比为50/5、温度范围是280℃~290℃、CaO% 2.5%~5.0%、K2CO3%在5.0%~10.0%之间。 9)碱性催化剂能够有效地提高玉米秸秆热化学转化程度,但其催化能力与其碱性的强弱并无线性关系。


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