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微藻脱脂残渣的无机元素形态和浆液流变特性研究

何映龙  
【摘要】:生物柴油作为一种重要的可再生替代能源,有望缓解全球化石燃料短缺和气候环境恶化的双重压力,尤其对我国交通能源安全和城市环境保护具有十分重要的意义。相比传统的陆生农作物,微藻具有光合效率高、油脂产量大、环境适应能力强、不占用耕地等独特优势。因此,基于微藻的生物柴油制备工艺,作为现有最成熟的转化技术之一,有可能在短期内突破产业瓶颈,实现商业应用。微藻油脂提取作为其关键环节,通常采用干燥处理后提取和水热处理后提取这两种途径。不同途径产生大量不同性质的藻渣副产物,而通过各种热化学利用方式(如燃烧、气化和水热等)回收这些藻渣中残留的能量,可提高整个产业链的技术经济性。但是藻渣在燃烧利用中的无机元素成灰问题,及其水热利用中的能量泵送效率问题都尚无文献报道。因此本文从这两个方面展开研究,具体内容阐述如下:首先,研究藻渣中主要无机成灰元素的形态,由此预测不同形态元素在燃烧过程中的转化与成灰行为。实验结果显示,在微藻及其藻渣中,元素Cl、K、P、Mg、Na和Ca的含量依次降低,Al和Fe元素含量极少。利用水、1.0 M醋酸铵溶液和1.0 M盐酸溶液进行的逐级提取分析表明,Na、K和Cl元素基本全是水溶态,P元素以水溶态和酸溶态为主,Mg和Ca元素大部分表现为水溶态与离子交换态。对比发现,微藻油脂提取后,藻渣中Ca元素水溶态比例增长约69.6%,而离子交换态比例相对减少。Mg元素的形态变化也表现出相同趋势,但变化幅度较小。其次,研究藻渣浆液的流变特性及能量泵送效率。结果显示,微藻R水热碳化(180~240℃)后,水热焦H中碳元素含量和低位发热量均显著增加,而灰分含量减少。提取水热焦油脂后,藻渣DH中灰分含量上升,且挥发分含量下降。其中典型无机元素K和Mg的含量结果显示,水热碳化导致微藻中近90%的K流失。而随着水热反应温度升高,Mg元素固留率从40.9%逐渐增加至80.6%。浆液(50~200 kg/m~3)流变特性显示,微藻R、藻渣D和240DH均表现为牛顿流体,而藻渣200DH和220DH为剪切稀化流体,藻渣180DH在低浓度时近似为牛顿流体,在高浓度(X=200kg/m~3)时才表现出剪切稀化特征。结合藻渣水热液化(或水热气化)利用背景,评估其浆液泵送能耗和效率的主要影响因素。结果显示,藻渣DH的能量传输效率(仅考虑传输摩擦能耗)随着水热碳化温度升高而增大。尤其当温度大于200℃时,其效率ε_t较微藻R有所提升。浆液的能量泵送效率(同时考虑传输摩擦能耗和进样增压能耗ρ_f较ε_t降低近30倍。其与浆液浓度X近似呈线性正相关关系,且随反应釜内外压差?(10~30 MPa)增大而减小。


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