微波诱导金属放电强化生物质焦油裂解试验与机理研究
发布时间：2020-07-27 09:33
【摘要】：生物质能是全球继煤炭、石油、天然气之后的第四大能源,其来源广泛、应用成本低等特点决定其已经成为国际能源转型的重要力量。加大生物质能的研发和应用力度,不仅能够推动能源产业升级,完成新旧动能转换,同时可以改善工业生态、推动新式循环经济的发展。相较传统化石燃料而言其应用方式更具多样性和复杂性。其中,气化技术是目前常见的生物质能转化技术,但过程会伴随焦油的产生,焦油的存在不仅会腐蚀设备、堵塞管道、造成二次污染,而且还会降低生物质气化效率,该问题限制了生物质气化技术的发展和应用。目前,很多学者针对生物质焦油问题进行了广泛研究,但始终没有找到一种高效、清洁、操作方便、稳定可靠的焦油处理方法。研究发现,微波作用于具有特殊形态(如尖端、锋利边缘)的金属时会产生一种独特的放电现象,且过程伴随明显的放热、放电以及等离子体激发,多种效应的耦合在一定程度上能够加速有机质裂解反应、提高资源回收效率和利用率。因此,本文以去除生物质气化工艺中的焦油为目标,选择焦油中含量最高且拥有典型代表性化学结构的甲苯为焦油模型化合物,提出利用微波诱导金属放电机制强化生物质焦油裂解的技术方案。并采用从可行性分析到机理研究、从机理研究到工艺应用的研究方法,对微波诱导金属放电强化生物质焦油裂解的过程、影响因素及机理展开系统研究。开展的主要工作如下:采用试验手段,根据甲苯经过微波金属放电区域前后的浓度变化,展开微波诱导金属放电强化生物质焦油裂解的可行性研究。同时,考察放电过程中微波电磁参数、金属介质属性、放电气体等参数对金属放电强度和甲苯裂解效率的影响规律。结果表明,950ppm的甲苯经过一定强度的微波金属放电区域后浓度发生明显降低,且裂解气中有小分子可燃气体产生,该结论证实在微波辐照条件下金属介质的放电现象对甲苯裂解的强化作用。同时研究发现金属介质的数量和金属介质的活性都会增强甲苯的裂解效果,而惰性气体的性质对裂解效率也会产生明显影响。在微波金属放电强化甲苯裂解可行性得到证实的基础上,通过多种分析测试手段对放电条件下甲苯裂解气、液、固三相产物特性展开研究,并与传统热解进行对比,以此明确微波金属放电作用下甲苯裂解反应进行的深度及裂解产物优势。结果发现,甲苯在极其简易微波金属放电环境中裂解反应的进行程度,即可达到与传统900℃高温热解近似甚至更彻底的效果,且放电条件下得到裂解产物中H2选择性和固体析炭的石墨化程度等特性都优于传统热解法。针对微波金属放电的产热特性,提出通过微波-介质精密量热法进行放电整体热效应的准确测量,探讨不同变量对金属放电热效应的影响规律。并且基于整体热效应的定量测定,利用ANSYS等数值模拟软件推算不同条件下(金属种类、辐照时间等)金属放电诱发高温位点的局部温度与界面温度梯度,明确微波金属放电引发热点的程度。结果表明,直接量热法创造性地实现了金属放电过程整体热效应的定量评估,放电过程中金属介质属性和电磁参数等变量对放电产热均存在一定影响。同时,放电温度场模拟结果证实热点效应的存在性,并从放电产热角度揭示微波金属放电裂解甲苯的作用机理。针对微波诱导金属放电的发光特性,建立一套高灵敏度的等离子光谱分析系统,利用发射光谱法对不同条件下的微波金属放电等离子体进行诊断,分析微波诱导金属放电的微观物理过程,从等离子体效应角度揭示微波金属放电裂解焦油的机理和规律。同时探讨了放电过程中,微波场内植入金属电极材料(Fe、Ni、W)、放电气体介质种类(N2、He、Ar)以及外加微波功率等物理参量对放电等离子体释放的作用规律,明确金属放电等离子特性的影响机制。结果表明,微波诱导金属放电是由金属介质所含元素原子与环境气氛气体原子的电子跃迁共同作用产生,过程中伴随着高能量粒子的产生、猝灭以及等离子体的释放。其中,放电气体介质从根本上决定着放电等离子体发射光谱的谱线分布区域,而金属种类和微波功率的影响主要体现在等离子体发射光谱的强度上。最后基于试验与机理研究结果,提出了一种将生物质热解制气与微波金属放电裂解生物质焦油组合为一体的新型工业化思路,拟将微波与特殊形态金属诱发放电裂解焦油模型化合物的方法,应用到实际生物质连续热解的工况情景,展开一系列放电环境下中药渣焦油脱除性能的试验研究。结果表明,微波金属放电在真实生物质热解系统中对焦油同样具有很好的脱除效果。另外,通过过程影响因素的优化配置,明确提高微波辐照功率、延长气体停留时间、增加放电装置级数以及塑造光催化耦合效应对焦油裂解的强化作用。完成了微波金属放电和中药渣催化热解的技术集成,形成热转化燃气制备和净化提质技术路线和工艺包,为最终生物质高效资源转化、降低生物质热解焦油排放量以及改善生态环境提供一种新工艺。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK6
【图文】：
生物质能是重要的可再生能源，具有绿色、低碳、清洁、可再生等特点，是逡逑全球继煤炭、石油、天然气之后的第四大能源，为国际能源转型提供重要支持（如逡逑图１．２＾）。我国作为农林业大国，生物质资源丰富，能源化利用潜力大。根据中国逡逑工程院《中国可再生能源发展战略研宄报告》，我国含太阳能的清洁能源开采资源逡逑量为２１．４８亿吨标准煤，其中，生物质能占５４．５％，年产能在１０亿吨标煤以上，逡逑是水能的２倍和风能的３．５倍［７］。国家能源局发布《生物质能发展“十三五”规划》逡逑明确指出，到２０２０年，生物质能基本实现商业化和规模化利用，生物质能年利用逡逑量约５８００万吨标准煤，发电总装机容量达到１５００万千瓦，年发电量９００亿千瓦逡逑时，年销售收入约１２００亿元，产业新增投资约１９６０亿元［８］。除此之外，生物质是逡逑Ｃ０２零排放的可再生燃料［９］，在形成期间，不仅可大幅降低（：０２排放量，亦能消化逡逑吸收水体、土壤中的重金属离子和其他污染物，起到修复生态环境的利好效应％，１１］。逡逑《２０１７－２０２２年中国生物质能发电市场研究及发展趋势研究报告》显示
转化率高、降解有机物能力强、易于工业化等优点，是生物质能主要的技术发展逡逑方向之一。现阶段常见的生物质热化学转化技术主要包含直燃、热解、气化和液逡逑化四种途径１１３］，具体如图１．３。逡逑燃烧｜逦｜热解｜逦｜气化｜逦｜液化逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑热量｜邋木炭｜逦｜喊气｜丨系体逡逑锅ｂ邋｜丨汽轮ｍ邋｜丨化学备成丨｜内＆机｜邋｜萃取｜丨藉炼逡逑电力邋｜邋｜邋甲醇邋｜邋｜合成氨｜邋｜化学品｜邋｜邋柴油逡逑图１．３生物质能转化的热化学过程和相关产物逡逑其中，生物质气化技术是当前生物质能高效利用的主要方式之一，与直接燃逡逑烧技术相比，具有燃烧稳定、热效率高、污染小（尤其是ＰＭ２．５指数低）等优点。逡逑按照气化转化效率的高低可将其分为部分气化和完全气化两类，部分气化指的是逡逑沼气发酵、热化学热解和高压液化（直接液化）等技术；而完全气化也就是通常逡逑所说的生物质气化，是以生物质为原料，采用热解及热化学氧化法在缺氧条件下逡逑加热，使其发生复杂热化学反应的能量转化，最终产生ＣＯ、Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ？，Ｈ？等混逡逑合气体的过程［１４］，原理示意图如图１．４所示ｌ｜５ｌ逡逑逦＾邋Ｈ２0ｂ邋ＣＯｂ邋Ｃ0２ｂ逡逑Ｈ２ｅ逦0２逡逑生物质」ｖ邋（n礤危榷蝈慰扇夹云邋义希垮味″义希龋玻希蝈澹
本文编号：2771666
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK6
【图文】：
生物质能是重要的可再生能源，具有绿色、低碳、清洁、可再生等特点，是逡逑全球继煤炭、石油、天然气之后的第四大能源，为国际能源转型提供重要支持（如逡逑图１．２＾）。我国作为农林业大国，生物质资源丰富，能源化利用潜力大。根据中国逡逑工程院《中国可再生能源发展战略研宄报告》，我国含太阳能的清洁能源开采资源逡逑量为２１．４８亿吨标准煤，其中，生物质能占５４．５％，年产能在１０亿吨标煤以上，逡逑是水能的２倍和风能的３．５倍［７］。国家能源局发布《生物质能发展“十三五”规划》逡逑明确指出，到２０２０年，生物质能基本实现商业化和规模化利用，生物质能年利用逡逑量约５８００万吨标准煤，发电总装机容量达到１５００万千瓦，年发电量９００亿千瓦逡逑时，年销售收入约１２００亿元，产业新增投资约１９６０亿元［８］。除此之外，生物质是逡逑Ｃ０２零排放的可再生燃料［９］，在形成期间，不仅可大幅降低（：０２排放量，亦能消化逡逑吸收水体、土壤中的重金属离子和其他污染物，起到修复生态环境的利好效应％，１１］。逡逑《２０１７－２０２２年中国生物质能发电市场研究及发展趋势研究报告》显示
转化率高、降解有机物能力强、易于工业化等优点，是生物质能主要的技术发展逡逑方向之一。现阶段常见的生物质热化学转化技术主要包含直燃、热解、气化和液逡逑化四种途径１１３］，具体如图１．３。逡逑燃烧｜逦｜热解｜逦｜气化｜逦｜液化逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑热量｜邋木炭｜逦｜喊气｜丨系体逡逑锅ｂ邋｜丨汽轮ｍ邋｜丨化学备成丨｜内＆机｜邋｜萃取｜丨藉炼逡逑电力邋｜邋｜邋甲醇邋｜邋｜合成氨｜邋｜化学品｜邋｜邋柴油逡逑图１．３生物质能转化的热化学过程和相关产物逡逑其中，生物质气化技术是当前生物质能高效利用的主要方式之一，与直接燃逡逑烧技术相比，具有燃烧稳定、热效率高、污染小（尤其是ＰＭ２．５指数低）等优点。逡逑按照气化转化效率的高低可将其分为部分气化和完全气化两类，部分气化指的是逡逑沼气发酵、热化学热解和高压液化（直接液化）等技术；而完全气化也就是通常逡逑所说的生物质气化，是以生物质为原料，采用热解及热化学氧化法在缺氧条件下逡逑加热，使其发生复杂热化学反应的能量转化，最终产生ＣＯ、Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ？，Ｈ？等混逡逑合气体的过程［１４］，原理示意图如图１．４所示ｌ｜５ｌ逡逑逦＾邋Ｈ２0ｂ邋ＣＯｂ邋Ｃ0２ｂ逡逑Ｈ２ｅ逦0２逡逑生物质」ｖ邋（n礤危榷蝈慰扇夹云邋义希垮味″义希龋玻希蝈澹
本文编号：2771666
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