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生物质流化床热解液化实验研究及应用

王贤华  
【摘要】: 采用热解液化技术可以将固体生物质转化为便于储存和运输的液体燃料,其具有替代矿物油的潜力。我国主要的生物质资源是农业废弃物,然而与林业废弃物相比,关于农业废弃物热解液化的研究较少。目前生物质热解液化研究主要关注的是生物油的产量,使得生物油的品质难以达到通常液体燃料的要求。因此需要详细研究热解参数对生物油特性的影响规律,探索提高生物油品质的方法。另外生物质资源特别是农业废弃物通常在空间和时间上不连续,因此为了实现生物油的低成本和大规模生产,具体的生物质热解方式应与生物质特性相适应。本文致力于用流化床热解液化技术开发我国的生物质资源。 本文研究主要涉及三种在我国较有代表性的林业废弃物和农业废弃物:松木屑、花生壳和玉米秆。利用热重分析仪研究了这三种生物质的热解特性并建立了热解模型。在小型流化床热解液化装置上进行了生物质热解液化实验。结果表明花生壳和玉米秆的生物油产率明显比松木屑低,而焦炭产率较高,同时不凝气的热值较低。这就意味着如果采用常规的热解液化技术,以农业废弃物为原料的生物油的成本将会比以林业废弃物为原料的高。另外生物油的性质和成分也表明以农业废弃物为原料的生物油,特别是玉米秆油的品质不如松木屑油。 为了改善生物油的品质,研究了流化床反应器的反应条件(温度、停留时间、原料粒径)对生物油产率和品质的影响规律。热解温度是最重要的影响因素,花生壳和玉米秆都是在温度为450℃时生物油产率最高,而松木屑则是在500℃时生物油产率最高。然而生物油品质较好时的温度与产率最高时的温度并不完全一致,例如,玉米秆就是400℃热解得到的生物油的氧和水含量最低而热值最高。停留时间的影响与热解温度相似,产率最高时的生物油的品质并不一定最好。虽然当原料粒径小于1mm时其对生物油的产率的影响较小,但对生物油的品质却有较大的影响。因此,不单纯追求生物油产量,而是根据生物质特点选择适当的热解反应条件可以得到品质较好的生物油。 降低生物油的水含量是提高生物油品质的一个重要方面,为此,生物质原料热解前需要经过干燥预处理。微波干燥是一种快速、高效和节能的干燥方式,本文首次将微波干燥技术应用于生物质热解液化工艺的原料干燥过程中。在微波干燥的快速蒸发过程中,生物质原料内部形成了较好的孔结构。在热重分析仪和流化床热解液化装置上的热解实验结果表明微波干燥预处理有利于生物质的热解并且减少了挥发分发生二次裂解反应的几率,结果生物油产率有所提高。另外由于有利于抑制二次反应,微波干燥处理的生物质得到的生物油的水含量较低而热值较高,这将有利于生物油用作燃料;同时生物油中也含有较多的一次热解产物,这将有利于生物油用于高附加值产品的生产。 本文还将微波加热技术直接应用于生物质热解过程中,由于生物质热解产生的焦炭会吸收微波能量导致焦炭的局部温度高于周围环境的温度,这样与常规加热方式相比,热解反应可以在较低的温度下进行,并且可以得到H2浓度较高的气体产物,而挥发分的二次裂解反应也会因环境温度较低而得到有效控制。因此采用较节能的低温微波热解技术也可作为一种生物油高质高量生产的方法。 发明了一种移动式生物质热解系统,其能量完全由生物质提供,适合于处理高度分散、能量密度低的农业废弃物。对集中式热解生物油成本分析表明生物油成本会随着原料价格的上涨迅速增加。而对于移动液化方式,收集半径对生物油成本的影响要远小于集中液化方式。这就意味着采用移动液化方式可以实现生物油的低成本和大规模生产。根据本文研究成果,进一步提出了一个新的生物质移动热解资源化多联产的技术方案和一种新型流化床多功能热解反应器,最终目标是利用我国丰富的生物质资源生产低成本高价值的生物油基产品。


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