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小麦秸秆微波热解产物特性研究

刘洪贞  
【摘要】: 生物质是一种重要的可再生能源。我国的生物质资源尤其是农作物秸秆十分丰富,但利用程度不高。开发生物质综合利用技术,对于建立可持续发展的能源体系,促进社会和经济的发展以及改善生态环境具有重大意义。生物质热解可以制备固体生物质炭、生物油或气体燃料,实现生物质的清洁利用,但是常规生物质热解对原料预处理要求高,增加了设备投入与能耗。微波加热具有快速、均匀、高效的特点,把微波加热引入到生物质热解中,可以大大降低生物质预处理的要求。同时,微波热解可以改善生物质热解产物的成分及含量,提高热解产物的利用价值。 本文以提高气体产物(尤其是CO和H2)产率为目的,设计制造了一套微波加热装置,以小麦秸秆为原料,添加五种添加物(热解残炭、K2CO3、Na2CO3、CuO和Fe3O4),采用固定床进行秸秆微波热解的实验研究,探讨了生物质微波热解的规律,并对固体产物的官能团、表面形态和元素组成进行了分析。实验着重考察了微波功率、添加物种类、添加比例对热解气、液、固三相产物分布以及气体产物成分及含量的影响。选用的五种添加物对秸秆微波热解效果各不相同。添加CuO、Fe3O4时,只有添加比例和功率足够大(20wt.%,800W),才能有效促进物料的热解,而且产物中液体产物占大部分,液体产率分别达到52.92wt.%和55.82wt.%。添加K2CO3、Na2CO3能有效促进秸秆物料的热解。在微波功率800W,K2CO3、Na2CO3添加比例为10wt.%时,液体产率分别达到48.73wt.%和48.09wt.%,而当添加比例达到20wt.%时,则能产生大量气体产物,气体产率分别为48.95wt.%和56.86wt.%。同时,添加K2CO3、Na2C03能明显提高气体产物中H2的含量,最高可达到47.4vo1.%和46vo1%。添加热解残炭可以显著促进秸秆物料的热解,气体产率随着功率和添加比例的增大而升高,在功率为800W,添加比例为20wt.%时达到60.94wt.%。添加热解残炭后气体产物中CO2的含量明显降低,CO含量升高,H2含量升高也比较显著,其中合成气(CO+H2)含量可达到79vo1.%。热解残炭是热解反应的产物,容易制得,而且可以反复利用。综合考虑,当以制取气体产物为目的时,添加热解残炭是最有利的。 为考察温度对秸秆微波热解的影响,本文进行了秸秆微波定温热解实验。结果表明,热解温度是影响热解的主要因素,生物质挥发份的析出主要在300~500℃,气体产物产率随温度的升高不断增加。高温可以提高小麦秸秆物料的转化率,同时高温有助于提高气体产率以及气体产物中可燃气体(尤其是H2)含量,600℃时H2含量能达到43.7vol.%。相同热解温度下,较高的微波功率能提高物料的转化率。随着微波功率的升高,CO2和CO均呈现降低的趋势,而H2含量则逐渐提高。高温下固体产物的孔结构细而密,比表面积快速增大,温度从400℃升高到600℃,BET比表面积从0.89m2/g增大到9.81m2/g,固体产物经过深加工成活性炭,可以用做吸附剂。


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