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竹醋液活化竹炭多联产过程研究

张金超  
【摘要】:目前国内对竹材的利用多直接用于制作燃料炭,存在着产品附加值低、工艺污染大的特点,对竹材热解液体产物焦油更是直接排放,对环境造成了严重污染。相较于国外研究,国内对竹材加工气、液、固三态产物联合生产方面的研究还很少。本研究将竹材热解、活化技术应用于竹材多联产过程中,生产出优质竹炭、活性炭、竹醋液和氢气等高价值产品,大大提高了竹材资源利用率,为实现竹材废弃物高效清洁利用提供了一条合理有效途径。首先,本文利用固定床实验装置进行竹材热解实验,考察了不同温度下竹材热解固体、液体产物分布特性,揭示了热解反应机理。结果表明,350-550℃时竹材内纤维素和半纤维素大量降解,固体产率急剧下降,液体产率上升,其中醛酮类、呋喃类化合物含量不断升高;当温度高于550℃后,液体产率开始降低,其中芳香族化合物的含量也开始降低,这说明木质素的降解已接近完全,而醛酮类、呋喃类化合物含量的再次上升主要是因为在高温下大分子芳香族化合物发生二次裂解,生成大量的小分子化合物。同时对固体产物竹炭的热值研究表明,当热解温度高于550℃时的焦炭热值2462.19J/g,超过了商品炭热值2459.72J/g,成为一种优质的燃料炭。在探究催化热解的过程中,发现经由海泡石催化热解后的液体产物中糠醛含量提升9.1%,说明海泡石能够有效促进竹材纤维素的降解。然后,本研究利用热解产生的竹醋液代替水蒸气活化热解得到的竹炭制备活性炭,考察了活化温度、活化时间、竹醋液与竹炭质量比对活化反应的影响,得出最佳工艺条件为:活化温度850℃、活化时间1.5h、m(竹醋液)/m(炭化料)=6∶1。竹醋液活化所得的活性炭主要为介孔活性炭,其亚甲基蓝吸附率达到283.135mg/g,超过国家一级木质活性炭标准180mg/g,活性炭产率相较传统水蒸气活化工艺提升7.45%。同时对活化前后竹醋液组成变化的研究表明,经过活化后的竹醋液种类由之前的22种减少为4种,主要成分由之前苯酚类化合物(49.83%)转变为甲苯类化合物(89.27%),达到了精制竹醋液、提高产品附加值的目的。由此,本研究提出了竹醋液活化热解产物竹炭多联产思路,生产出优质竹炭、活性炭、竹醋液和氢气等高价值产品。最后,本文利用Aspen Plus软件模拟了上述竹醋液活化竹炭的工艺流程,主要以氢气产量、气体热值为研究方向,设计出竹醋液重整制氢工艺。利用灵敏度分析软件,得出最佳工艺条件为:活化温度850℃,反应压力常压,竹醋液与竹炭质量比为6:1,与实验结果一致,大大说明了多联产工艺的有效性。通过对工艺进行优化,选择增加纯水流股来促进水汽变换反应的进行,经过工艺优化后,选择纯水流股流率为20Kg/h,氢气提升了4.2%。通过模拟不同制氢工艺,对比分析氢气产量以及气体热值,本文研究的竹醋液重整制氢新工艺相较于竹醋液自身重整反应提升了117%,相较于传统水蒸气活化竹炭工艺提升了84%,说明竹醋液重整制氢新工艺是一种非常高效的制氢工艺,同时也表明了竹材热解活化多联产制焦炭、活性炭、氢气的可行性。


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