新型热裂解反应器的研制和生物质资源化利用研究

发布时间：2020-04-15 02:56

【摘要】：生物质是一种环境友好型的可再生资源,是指直接或间接来源于各种绿色植物的各类有机物的总称,是一种通过大气、水、土壤以及阳光产生的持续性资源,被公认为仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源。在全世界能源消耗比例中,生物质能占总能耗量的16%,而在发展中国家却占到近45%,目前世界各国都在致力于发展高效、无污染的生物质利用技术,从而保护本国的矿物能源,为实现国家经济的可持续发展提供保障。热裂解反应器的使用将取代直接燃烧法而更加合理地利用生物质能源,本研究提供了一种能够在较低热裂解温度下将热裂解、旋风分离、洗涤冷凝三个装置功能一体化的闪速旋转刮板式生物质热裂解反应器,此反应器具有如下特点：1、设备小型化,结构简化；2、在低温工况条件下闪速热裂解；3、采用刮片形式提高烧蚀效率,降低停留时间；4、对流直接冷却,减少二次裂解；5、工况条件容易调节,便于制备炭、气、液化物多种产物。通过试验表明此反应器达到设计要求,工作可靠且稳定,该设备在350℃条件下达到41%的产炭率、450℃条件下达到75%的产油率和550℃条件下达到70%的产气率。经GC/MS分析表明裂解液化物中含有酚类、醛类、酮类、醇类和酯类等复杂化合物,裂解气中主要有一氧化碳、甲烷和乙烯等成分。随着活性炭应用的扩大化和专业化,世界各大活性炭生产企业和研究机构积极迎接可持续发展和环境保护的要求,不断开拓活性炭的应用领域和原料来源。生物质裂解反应器所产生的机制炭完全可以深度再加工成附加值高的活性炭。活性炭材料的活化过程是制备的关键环节,氢氧化钾、磷酸和氯化锌是常用的活化剂,而我国通常使用氯化锌法制备活性炭,但此法对设备腐蚀性较高,并且容易导致环境污染,本研究选择价格较低且分解产物易于回收再利用的氯化铵作为活化剂制备活性炭,并考察了影响条件,用单因素分析探索制备活性炭的最佳制备工艺条件为：活化剂氯化铵质量浓度为15%、mNH4C/mSD=3,浸渍时间为12h,活化时间为4h和活化温度为800℃,其相应的碘值和亚甲基蓝值分别达到1473mg/g和447mg/g,综合吸附性能均高于其它活化剂制备的活性炭。同时采用比表面积和孔结构测定仪,利用静态吸附法测定了多种活性炭在77K下对N2的吸附脱附等温线,通过BET法、t-plot法和BJH法分别计算了活性炭的总比表面积、微孔比表面积和中孔比表面积,以DFT法分别表征了活性炭的全孔、中孔和微孔分布,并通过FTIR光谱、XRD和SEM等技术对制备的活性炭表面官能团及晶形结构做了表征和观察。研究了氯化铵法制备的活性炭对水溶液中污染物间苯二胺的吸附,结果表明：(1)活性炭对间苯二胺的吸附效果受溶液pH值的影响,活性炭对间苯二胺的吸附能力在pH值为8.0-10.0之间最佳,过酸或过碱均不利于其吸附；(2)不同温度下的吸附等温线所得的吸附热表明,吸附是自发吸热的物理反应过程,活性炭与间苯二胺之间的主要作用力是静电作用力,如范德华力,同时还存在氢键力,疏水键力和偶极距力；(3)活性炭对间苯二胺的吸附效果也受溶液离子强度的影响,高离子强度有利于活性炭对间苯二胺的吸附,其可能的原因是金属离子对吸附质产生盐析效应,通过补偿电荷而影响吸附质与吸附剂之间的静电作用；(4) Frendlich、Redlich-Peterson、Koble-Corrigan和Tempkin吸附等温式可用于描述活性炭对间苯二胺的吸附过程；(5)活性炭对间苯二胺的吸附由颗粒内扩散及膜扩散共同控制,在吸附前期,颗粒内扩散是控制吸附速率的主要因素。研究了以生物质基活性炭为载体,以磷酸为磷源,以聚乙二醇-2000为黏合剂,用溶胶-凝胶法制备了高活性掺磷活性炭负载型二氧化钛(P-TiO2/AC),并采用SEM、XRD等技术对其晶形结构进行表征,得到本实验制得的高活性光催化剂,结果表明锐钛矿和金红石的混合型Ti02以颗粒形态负载在具有棉花状结构的活性炭表面,该负载型催化剂的粒径达到1-3μm,提高了催化剂的可回收性；红外光谱显示TiO2结晶过程中磷进入了Ti02的晶格并结合成键；利用制备的催化剂进行甲基橙光降解评价实验,实验得到了不同催化剂对甲基橙的光催化降解能力：TiO2P-TiO2TiO2/ACP25P-TiO2/AC,说明本实验制备的微米级掺磷负载型二氧化钛光催化剂达到并超过了公认的纳米级P25的高活性特性；在其他条件不变的条件下,实验还考察了溶液初始pH值、外加有机物、光敏剂等因素对光催化降解效果的影响。
【图文】：

孔径分布,吸附等温线,经典,I型

吸附等温线[49，5*^分别为I型、11型、m型、IV型、V型和VI型吸附等温线，见图1-1所示。图中纵坐标表示吸附量，横坐标表示相对压力P/Po。各种吸附等温线对应着吸附时气体在固体表面上的排列形式，固体的孔、比表面积、孔径分布以及孔溶剂等有关信息。I型吸附等温线，，又称为Langmuir吸附等温线。化学吸附在表面的单分子层物理吸附，可以得到I型吸附等温线。适用于无孔均一表面的单分子层吸附或微孔吸附剂的溶剂填充机制；II型吸附等温线，常称为S型等温线，当在非多孔固体表面或大孔材料上进行单一多层可逆吸附时，一般呈现II型吸附等温线

剖视图,剖视图,转鼓,外圆筒

Figure 2-2 A-A section of reactor如图2-2所示，转鼓2是由转轴3、转轴通孔4、转鼓外圆筒通孔5、旋转刮板6、保温棉7、固定翼片20、转鼓外圆筒21组成；在转轴3的中部还开有若32
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X705

【参考文献】