微波作用下焦油模型化合物热裂解研究

发布时间：2020-04-04 23:04

【摘要】：微波是靠介质的偶极子转向极化和界面极化在微波场中的介电耗损而引起的体内加热,形成比周围温度更高的“热点”,造成加热速率加快,但对非极性分子不产生加热效应,这种选择加热的方式可以节省能源；此外,微波场的存在会对分子运动造成取向效应,使反应物分子在连心线上分运动相对加强,造成有效碰撞频率增加,反应速率加快。由于微波具有上述致热效应、非致热效应以及诱导催化效应等作用机理的特殊性,使得微波作为化学反应工程领域的一种新的加热方式成为可能。如何除去生物质气化过程中的焦油是大规模应用生物能的关健技术之一,由于生物质焦油组成的复杂性,目前,采取的水洗除焦法产生大量二次污染废水,催化裂解除焦因产生积炭易使催化剂失活,且产生大量废渣,考虑到焦炭对微波具有良好的吸收性能,且焦炭本身对焦油具有一定的催化裂解性能,而且还有一定的抗积碳能力。因此,能否以碳基材料作为微波吸收载体,在微波选择加热的作用下来催化裂解焦油的设想成为本课题研究的来源。本文以焦油模型化合物甲苯和废异生活油为研究对象,研究了它们在微波加热方式下的热裂解行为,考查了不同的碳源、不同的载气组成、流量等对它们裂解性能的影响,并与它们在常规电加热方式下的裂解行为进行对比。具体的研究内容如下：1.对比了三种不同吸收微波的活性炭、木炭、竹炭在微波加热的作用下对模型化合物甲苯的热裂解行为,实验研究结果表明：在颗粒大小、氮载气流量相同、设定的加热温度相同的情况下,用三种不同炭作为吸收微波载体时,其反应浊度均不能上升到指定的温度,最多只能达到500℃,且温度波动很大；这主要是因为开始时,甲苯进入反应器中很快气化,气化后的甲苯随载气一起均布在反应器炭床中,而甲苯由于自身的极性小,不仅自身不能较好地微波,而且还将整个炭床进行了屏蔽作用,阻碍了炭吸收微波而使炭床温度稳定,再加上甲苯裂解为一吸热反应,导致反应温度不能达到指定的裂解温度,因而甲苯裂解低,不能完全裂解。将氮气换成空气的情况下,发现只有活性炭能够使反应器的温度始终保持在900℃且稳定时间较长,且有较好的裂解效果,这是因为空气中的氧气与甲苯或者炭发生了氧化反应,一方面氧化反应放出热量；另一方面,因甲苯的氧化或者裂解消去了它对炭床吸收微波的屏蔽作用。因而,在调节合适的空气流量与甲苯的进入量时取得较好的实验结果。在微波作用下,当空气流量为50mL/min时,裂解产生的气体组份中CO、H2的体积分数分别是26%、8.36%,两者之和为34.36%,CO2体积分数是9.6%,此时空气流量得到的合成气的体积分数最高,二氧化碳的体积分数较小,且从调节空气流量从30mL/min至60mL/min时,H2含量逐渐升高至26%左右,空气流量调至60min/min时,H2体积分数降至19.95%。此外,对活性炭进行了元素分析、XRD以及SEM相关的分析与表征,发现木炭结构呈现块状,竹炭虽然孔大但是使反应物难吸附,但活性炭呈现松散的絮云状,有较大的表面积,且活性炭升温行为最好,XRD的分析表明,反应前的活性炭含有80-2146二氧化硅和72-2091碳,反应后活性炭有生成新的46-943碳。2.研究了废弃生活油在不同载气流量时,产生小分子气体成分的分布情况,当空气流量为50mL/min时,H2含量高达35%,当空气流量为40mL/min时,前段H2含量为26%,后段为8%,当空气流量为30mL/min时,前段H2含量为32%,后段H2为11%,50mL/min时基本无前后段明显划分,通过废弃生活油的GC-MS分析显示,绝大部分成分为极性大的物质,反应过程中温度的维持时间比甲苯反应的时间长,同样消除析炭的效果好,废弃生活油的转化率也非常高,接近100%。3.将传统加热方式热裂解试验、微波加热实验两者产生气体成分分布进行了对比,可以发现,传统加热下,空气流量为30mL/min时,H2最高为8.5%,40mL/min时,CO最高为10.54%,而微波加热下,H2含量最高为26%,是传统加热的三倍多,CO最高为21.22%,是传统下两倍多,传统加热下,甲苯转化率最高为75.4%,最低为56.3%,而微波加热下,甲苯转化率最高100%,最低90%,所以微波加热不仅可以最大限度的提高废弃有机物的转化率,并且裂解得到的气体组分高,更倾向于转化成H2和CO。
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK6

【相似文献】