基于反应溶液资源化利用的麦秆水热碳化试验研究

发布时间：2020-08-18 21:32

【摘要】：生物质水热碳化处理技术是利用至少处于饱和压力的热水快速将生物质转化为高含碳量和高热值的固体产物,可以实现固定有机碳和有效利用生物质能的目的。由于其产物用途广泛,受到了国内外研究者的广泛关注。随着该技术的发展和推广应用,液体产物的有效利用成为了急需解决的关键问题之一。因此,本文依托国家自然科学基金项目“湿解环境下生物质湿解残液中碳元素的迁移固存机制研究”,以麦秆为反应物料,回收麦秆水热碳化反应后的液体产物为溶剂,结合有机元素(CHNS)分析仪、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FTIR)和热重(TG-DTG)分析仪对麦秆水热碳化固体产物元素组成、化学官能团、微观结构以及热稳定性的测试结果,以及高效液相色谱与质谱联用仪(HPLC-MS)、离子色谱和碘量法对液相产物中5-羟甲基糠醛(5-HMF)和糠醛、乙酸、还原糖浓度的定量分析,在不同反应条件下,对反应溶液的资源化利用进行了全面系统研究。主要工作为:(1)建立了考虑灰分的生物质全组分反应动力学模型,并用麦秆在反应温度200~240℃,反应时间30~180min的水热碳化反应实验数据进行了模型验证,计算了麦秆水热碳化反应动力学参数,结果表明,生物质组分在水热碳化过程中相互作用,互相影响,麦秆半纤维素与纤维素的水热反应的活化能分别为54 kJ/mol和136kJ/mol。(2)在间歇式反应釜中,回收220℃和120min麦秆水热碳化反应溶液作为溶剂,在160~240℃,120min反应条件下,进行了麦秆的水热碳化试验研究。研究发现,随反应温度的升高,麦秆水热碳化固体产物产率与纯水环境时相比增加约2~5%,固体产物有序化、芳香化的程度以及热稳定性都有所增加。液体产物中还原糖浓度从7.572 g/L下降至2.753g/L,乙酸浓度由2.698 g/L增加至6.852 g/L,而糠醛与5-HMF的浓度变化较小。乙酸的累积对水热碳化过程有催化作用,回收反应溶液有益于液体产物中碳的固存和反应强度的降低。(3)以220℃和120min麦秆水热碳化反应溶液作为溶剂,进行了反应温度为220℃,停留时间为120min及液固比为30的反应条件下,反应溶液循环利用10次的麦秆水热碳化反应试验研究。研究结果表明,当反应溶液循环次数不断增加时,固体产物产率及固碳率也不断增加,固体产物的有序化程度、微晶结构接近石墨化程度、热稳定性均有所增加;水溶产物产率及碳质量分数不断减少,当反应溶液循环至6次以后,水溶产物产率为15%,碳质量分数为5%,变化幅度不大;液相产物中还原糖、糠醛和5-HMF的浓度不断减小,而乙酸浓度则一直增加,在水热碳化反应中起催化剂的作用。当过程水循环至最后一次时,乙酸浓度达18.32g/L。(4)以添加量分别为0.5、1.0、2.0、4.0葡萄糖水溶液作为溶剂,在220℃,120min及液固比为30的反应条件下,对麦秆的水热碳化反应进行研究。研究结果表明,随葡萄糖添加量的增加,固体、气体产物产率逐渐增加,液体产物产率逐渐减小。当加入4g葡萄糖时,固体产物产率为68.56%。固体产物聚合物的红外吸收特征峰、XRD衍射峰及热稳定性降低。与纯水环境下的液相产物相比,糠醛、5-HMF和乙酸浓度均有所增加,而5-HMF增加幅度最大,当反应中加入4g葡萄糖时,5-HMF浓度为20.21g/L。
【学位授予单位】：中原工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK6

【相似文献】