紫茎泽兰微波热解行为及产物综合利用研究

发布时间：2017-09-06 21:29

  本文关键词：紫茎泽兰微波热解行为及产物综合利用研究

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【摘要】：有色金属冶金行业是国民经济的基础产业,是机械设备、轻工、化工等行业的主要原材料供应者。随着我国有色金属行业的发展,在生产过程中消耗大量的矿石资源和水资源,产生了大量的废水、废气。活性炭因其具有吸附容量大、吸附速率快等特点,在冶金环保行业的污水处理和废气的治理中的优越性日益明显。生物质因具有储量丰富、可再生、热解质量收率高等优势,是生产活性炭的优良基材。针对传统活性炭制备工艺过程中存在的原料单一、制造工艺存在的热化学转化利用率不高等问题,将微波加热技术引入化学转化途径可显著降低热化学转化过程能量消耗,并提高热解产物特性。本文针对紫茎泽兰利用资源现状、常规热解工艺存在的产品利用率不高及热解效率差异等问题,结合微波加热特点,提出了微波热解紫茎泽兰新工艺,并进行了热解产物的综合利用研究。通过系统探索微波热解条件,揭示了微波热解条件下固、液、气三相产物调控规律及热解机理。在分析热解产物特性的基础上,研究了微波活化热解炭联产制备高吸附性能活性炭及高热值、高富氢燃气,并对生物油制备理化性能优异的生物油/柴油乳化燃料的技术进行系统深入的研究。在此基础上,提出了由原料到产物制备和性能调控的工艺路线,实现了在活性炭生产过程对固、液、气三相产物综合利用,取得了一些有意义的结果,具体如下：系统研究了微波热解温度、热解功率和添加剂对微波热解紫茎泽兰固、液、气产物得率的影响,得到产物调控规律；随着微波热解温度升高,紫茎泽兰内部大分子结构的分解与气化反应使得热解炭得率逐步下降,热解燃气得率升高；在热解温度600℃、微波功率1500W时,热解生物油含量最高；添加剂对于提高固体产物得率有明显促进作用。微波热解气体的主要成分是合成气(H2+CO)及轻质烃,在微波热解温度达700℃时,合成气含量高达81.99 vol.%,是一种优质的气体燃料,热值在20.75～22.74 MJ/Nm3;得到的热解炭含碳量均在70%以上,热值约在25～29MJ/kg,孔结构分析表明在热解阶段主要产生中孔和大孔,可作为活性炭生产的优良基材；热解生物油具有较高的热值(22～33MJ/kg),通过改善稳定性及理化性质则可作为一种液体燃料使用。采用微波与常规加热活化热解炭制备活性炭,系统研究了以活化剂(水蒸气、CO2)流量,活化时间及活化温度对活性炭产品性能的影响规律,得到最佳工艺参数。制备的活性炭孔结构分析表明微波水蒸气活化制备的活性炭的比表面积最高,达1357m2/g以上,远高于热解炭。与常规加热活化相比,利用微波加热优势,迅速与活化剂反应,打开热解炭表面及内部孔道,进一步提高活性炭吸附性能,缩短反应时间52%,显著降低活化过程能耗。对活化过程中活化气体加以分析,得到以水蒸气活化燃气的密度及热值分别为：0.51 kg/m3及17.34 MJ/Nm3,氢气含量可达70.5 vol.%；二氧化碳活化燃气的密度及热值分别为：0.7 kg/m 3及16.91 MJ/Nm3,氢气含量为55.97 vo1.%。采用亲水亲油平衡(HLB)值法对生物油/柴油进行系统乳化实验,探究乳化条件对燃料理化特性影响,得到HLB值为7.5的Span-80+Tween-80复配乳化剂,乳化剂含量为5%,生物油含量为15%,乳化温度为40℃,乳化时间5min,搅拌器转速3600r/min的条件下制得的乳化液最为稳定,稳定时间达15天以上,保存4个月仍无明显分层现象。综上,论文系统研究了微波场中紫茎泽兰的热解特性及产物提质的理论及工艺。揭示了微波场中三相产物得率的调控规律和热解机理,显著提高资源利用率。为热解炭活化提质提供了最优活化工艺,在获得品质优良的活性炭同时,显著降低能耗。制得活性炭具有发达的比表面积,可广泛应用于冶金环保行业,且在活化过程中首次提出活化燃气的利用,降低环境污染变废为宝；采用乳化精制手段对生物油进行提质,制得稳定性优异的乳化燃料。本论文研究为生物质热化学转换技术及综合利用提供了一种高效手段。
【关键词】：紫茎泽兰 微波热解 活性炭 燃气 生物油/柴油乳化燃料 热值
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ424.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-34
• 1.1 生物质资源转换与利用14-19
• 1.1.1 生物质资源概述14-15
• 1.1.2 开发生物质能意义15-17
• 1.1.3 生物质转化利用技术17-19
• 1.2 紫茎泽兰资源的利用与发展趋势19-22
• 1.2.1 紫茎泽兰资源的开发19-21
• 1.2.2 紫茎泽兰资源综合利用发展趋势21-22
• 1.3 微波热解生物质22-29
• 1.3.1 微波加热特点22-24
• 1.3.2 国内外微波热解生物质研究现状24-29
• 1.4 微波热解生物油精制29-32
• 1.4.1 生物油精制方法29-32
• 1.5 论文研究目标及内容32-34
• 1.5.1 研究目标及关键问题32-33
• 1.5.2 论文主要研究内容33-34
• 第二章 实验部分34-46
• 2.1 实验原料34-35
• 2.2 资源化处理工艺的确定35-39
• 2.3 微波高温反应设备39-41
• 2.4 表征方法41-46
• 2.4.1 工业分析41
• 2.4.2 热重分析41
• 2.4.3 吸附性能及得率41-42
• 2.4.4 孔结构分析42
• 2.4.5 SEM分析42
• 2.4.6 FT-IR分析42-43
• 2.4.7 微晶结构分析43
• 2.4.8 GC分析43
• 2.4.9 GC-MS分析43-44
• 2.4.10 热值分析44-46
• 第三章 微波热解过程及机理分析46-58
• 3.1 紫茎泽兰的热重-差热分析46-49
• 3.2 紫茎泽兰微波升温特性测试49-51
• 3.2.1 升温特性测试设备及测试系统49
• 3.2.2 测试结果49-51
• 3.3 微波热解条件对固、液、气产物分布的影响51-55
• 3.3.1 微波热解温度对产物分布的影响51-52
• 3.3.2 微波热解功率对产物分布的影响52-54
• 3.3.3 添加剂对产物分布的影响54-55
• 3.4 微波热解紫茎泽兰过程机理分析55-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第四章 微波热解产物性能分析58-92
• 4.1 热解炭的理化性能分析58-73
• 4.1.1 热解炭的工业分析59-61
• 4.1.2 热解炭孔结构及表面形貌分析61-66
• 4.1.3 热解炭热值及炭热值回收率分析66-68
• 4.1.4 热解炭FT-IR分析68-71
• 4.1.5 热解炭微晶结构分析71-73
• 4.2 微波热解燃气的性能分析73-82
• 4.2.1 生物质热解燃气的成分74-78
• 4.2.2 生物质热解燃气的密度78-80
• 4.2.3 生物质热解燃气热值分析80-82
• 4.3 微波热解生物油的性能分析82-88
• 4.3.1 生物油的物理特性分析82-84
• 4.3.2 生物油的GC-MS分析84-88
• 4.4 微波热解产物提质途径88-89
• 4.5 本章小结89-92
• 第五章 热解炭同时制备活性炭及富氢燃气研究92-142
• 5.1 实验方法93
• 5.1.1 实验原料与仪器93
• 5.1.2 样品测定93
• 5.1.3 实验设计93
• 5.2 常规电加热水蒸气活化热解炭93-105
• 5.2.1 实验设计与产品性能分析94-104
• 5.2.2 常规电加热水蒸气活化优化结果104-105
• 5.3 常规电加热二氧化碳活化热解炭105-113
• 5.3.1 实验设计与产品性能分析105-113
• 5.3.2 常规电加热二氧化碳活化优化结果113
• 5.4 微波加热水蒸气活化热解炭113-122
• 5.4.1 实验设计与产品性能分析114-122
• 5.4.2 微波加热水蒸气活化优化结果122
• 5.5 微波加热二氧化碳活化热解炭122-131
• 5.5.1 实验设计与产品性能分析122-131
• 5.5.2 微波加热二氧化碳活化优化结果131
• 5.6 不同活化工艺的对比分析131-137
• 5.6.1 不同活化工艺条件及产品吸附性能分析132-133
• 5.6.2 不同活化工艺活性炭孔结构及SEM分析133-137
• 5.7 活化燃气及活化机理分析137-139
• 5.7.1 水蒸气活化燃气特性研究及机理研究137-139
• 5.7.2 CO_2活化燃气特性研究及机理研究139
• 5.8 本章小结139-142
• 第六章 微波热解生物油乳化提质及性能调控研究142-162
• 6.1 实验原料与仪器142-143
• 6.2 微波热解生物油/柴油乳化行为研究143-156
• 6.2.1 乳化剂的选择143-146
• 6.2.2 HLB值对乳化燃料稳定性的影响146-148
• 6.2.3 乳化温度对乳化燃料稳定性的影响148-150
• 6.2.4 乳化时间对乳化燃料稳定性的影响150-151
• 6.2.5 乳化强度对乳化燃料稳定性的影响151-153
• 6.2.6 乳化剂浓度对乳化燃料稳定性的影响153-154
• 6.2.7 生物油浓度对乳化燃料稳定性的影响154-155
• 6.2.8 储存时间对乳化燃的影响155-156
• 6.3 微波热解生物油/柴油乳化燃料物理化学性质156-159
• 6.3.1 生物油含量对乳化燃料密度影响157
• 6.3.2 生物油含量对乳化燃料热值影响157-158
• 6.3.3 生物油含量对乳化油酸度的影响158-159
• 6.4 本章小结159-162
• 第七章 结论及创新点162-166
• 致谢166-168
• 参考文献168-182
• 附录182-184

【参考文献】

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本文编号：805549