生物質(zhì)催化熱解炭化的試驗(yàn)研究與機(jī)理分析.pdf

1、隨著生物質(zhì)固體廢棄物量的增多，土壤污染和退化問題的日益嚴(yán)峻，合理開發(fā)和利用生物質(zhì)資源，研發(fā)新型有效的土壤修復(fù)劑已成為當(dāng)前緊迫的研究課題。生物質(zhì)炭對(duì)增加土壤碳庫貯量、提高土壤肥力以及維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡意義重大，日益受到全世界的關(guān)注。熱轉(zhuǎn)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)利用的最有效途徑，催化熱解被認(rèn)為是改變生物質(zhì)熱解條件和熱解產(chǎn)物分布與性質(zhì)的最有效方法。
　　本文對(duì)生物質(zhì)（水稻秸稈和竹廢料）的催化熱解炭化試驗(yàn)和機(jī)理展開了系統(tǒng)的研究，主要研究?jī)?nèi)容及

2、成果如下:
　　1、對(duì)生物質(zhì)原料的理化性質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示:竹廢料有相對(duì)較高的纖維素和木質(zhì)素含量，水稻秸稈則含有更多的半纖維素;工業(yè)分析顯示竹廢料的揮發(fā)份含量約為86％，水稻秸稈的灰分含量較大為15％;兩種原料中的N、S的含量均是微量的。
　　2、以生物質(zhì)三種組分為原料進(jìn)行熱重試驗(yàn)，考察了七種添加劑(KOH、TiO2、CuCl、CaCl2、FeCl2、KCl和NaCl)和升溫速率對(duì)熱解特性的影響，并求取了熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

3、結(jié)果顯示:半纖維素的熱解起始溫度最低，纖維素的最大熱解速率最高;KOH可顯著增大纖維素和木質(zhì)素?zé)峤夤腆w產(chǎn)物的得率;CuCl主要是可降低木聚糖熱解溫度，增大木聚糖熱解速率;CaCl2可降低木聚糖和木質(zhì)素?zé)峤鉁囟龋鳩eCl2可降低聚糖熱解溫度。隨熱解升溫速率的增大，熱解曲線逐漸向高溫區(qū)移動(dòng)，失重速率增大。
　　3、以水稻秸稈和竹廢料為原料進(jìn)行熱重試驗(yàn)，考察了KOH、TiO2和加熱速率的影響，并求取了熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，同時(shí)采用TG-FT

4、IR分析了兩種原料熱解過程中揮發(fā)性產(chǎn)物的析出特性。結(jié)果顯示:竹廢料熱解的起始溫度較低，熱解速率較快;水稻秸稈熱解的固體得率大，而竹廢料熱解的氣液得率高。竹廢料熱解反應(yīng)的表觀活化能在172.04-233.48K J/mol之間，水稻秸稈熱解反應(yīng)的表觀活化能在152.05-233.46KJ/mol之間。KOH可改變生物質(zhì)熱重曲線， TiO2對(duì)失重曲線的影響不明顯;兩種生物質(zhì)熱解的揮發(fā)性產(chǎn)物主要為CO2、 H2O、CO、CH4、烷烴和脂類、C

5、-O-C化合物和醛以及有機(jī)酸，竹廢料的揮發(fā)性產(chǎn)物量較大。
　　4、以水稻秸稈和竹廢料為原料，在自制的熱解反應(yīng)器上進(jìn)行熱解炭化試驗(yàn)，結(jié)果顯示:竹生物質(zhì)炭的得率在28-35％之間，水稻秸稈炭的得率在41-52％之間，常規(guī)熱解法較適宜于生物質(zhì)熱解制炭;隨著熱解溫度的升高，炭得率逐漸減小;添加TiO2可略增大生物質(zhì)炭的得率;而KOH的添加量較低時(shí)，可促進(jìn)炭的得率，當(dāng)添加劑的量大于30％的生物質(zhì)量后，生物質(zhì)炭得率反而下降，低溫?zé)峤馓砑觿?duì)炭

6、的得率影響較大;兩種添加劑均抑制液態(tài)產(chǎn)物的生成，但KOH能提高竹廢料熱解氣的得率。
　　5、采用儀器或化學(xué)的方法，分析了生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)，得到如下結(jié)論:隨著熱解溫度的升高，生物質(zhì)炭中碳元素含量增大，而氫和氧元素含量降低，而且竹生物質(zhì)炭的碳元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水稻秸稈炭的;生物質(zhì)炭均含有多種礦物質(zhì)元素，水稻秸稈炭中礦物質(zhì)元素含量均較高;兩種生物質(zhì)炭均顯示出堿性，隨熱解溫度的升高，堿性增強(qiáng)，TiO2可降低生物質(zhì)炭的pH值，而KOH則相反

7、;生物質(zhì)炭表面含有多種官能團(tuán)，包括O-H、C-O、芳香環(huán)的C=C等，隨熱解溫度升高炭中的脂肪族官能團(tuán)消失，而芳香族官能團(tuán)增大，當(dāng)添加KOH后炭中出現(xiàn)了無機(jī)的碳酸根官能團(tuán);水稻秸稈炭的表面疏松多孔，溫度越高，生物質(zhì)炭的表面越疏松，孔也越明顯，TiO2可促進(jìn)炭表面的裂解程度;TiO2在生物質(zhì)熱解前后晶型不變，而添加KOH的生物質(zhì)炭中含有無機(jī)和有機(jī)鉀鹽，因此KOH與生物質(zhì)熱解產(chǎn)物發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)K具有催化作用。可見KOH催化生物質(zhì)熱解可得

8、到一種富鉀生物質(zhì)炭土壤修復(fù)劑材料，而TiO2與生物質(zhì)熱解可得到一種含光催化劑的生物質(zhì)炭基環(huán)保材料。
　　6、生物質(zhì)熱解氣中有4種主要成分，H2、CO、CH4和CO2，在低溫?zé)峤鈺r(shí)CO2的含量最高;熱解溫度升高，CH4的含量明顯增大，可燃性氣體含量增大;添加KOH可顯著提高H2的得率，可進(jìn)一步處理獲得H2，因此熱解氣的品質(zhì)得到了提高。
　　7、水稻秸稈生物油的化學(xué)組成主要由酮類、酚類和烷烴類、糠醛、糠醇和脂構(gòu)成;竹生物油的主要