【摘要】：隨著人口及社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,全球化石能源需求與日俱增。但相應的經(jīng)濟及環(huán)境問題促使全球可再生能源需求日益增加。作為一種極具前景的可再生能源生產(chǎn),水熱液化技術(shù)具有較強的適用性,且可將低品位的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位的生物油及其他相關(guān)化學品。本工作以水為反應介質(zhì),對木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)和有機廢物水熱液化過程進行了深入研究。在研究中,我們以生物油為目標產(chǎn)物,探討了不同反應條件(反應溫度、升溫速率、催化劑的添加、物料量)和液化后副產(chǎn)物—水相的循環(huán)對液化過程以及液化產(chǎn)物分布的影響。同時借助CHNS、FTIR、GC/MS、TG/DTG和SEM等技術(shù)手段,對不同條件液化下得到的產(chǎn)物(生物油和固體殘渣)的理化性質(zhì)進行了比較分析;最終將木材類生物質(zhì)應用于連續(xù)液化裝置,為生物質(zhì)水熱液化的工業(yè)化應用提供基礎(chǔ)。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)本研究表明:低溫有利于提高生物油產(chǎn)率,而高溫有利于提高生物油品質(zhì);在相同反應溫度下,采用較快的升溫速率更利于增加生物油的產(chǎn)率和品質(zhì)。特別對大麥秸稈和木材,溫度對生物油產(chǎn)率的影響作用更明顯;在300 oC條件下,兩者生物油產(chǎn)率達到最高(35.15%、42.97%)。進一步的研究表明,反應溫度的變化對液化反應路徑有一定影響,并對大麥秸稈水熱液化產(chǎn)物有定向調(diào)控作用;反應溫度的上升可減少產(chǎn)物中羧酸和酚類物質(zhì)的含量,并在一定程度上有利于烴類的生成。(2)K_2CO_3作催化劑可提高生物質(zhì)(大麥秸稈、木材、樹皮和木屑)液化所得的生物油產(chǎn)率,并有利于生物油中碳和能量的回收。同時,K_2CO_3可加速木質(zhì)素的分解,并大大降低固體殘渣產(chǎn)率。就大麥秸稈而言,K_2CO_3對生物油組分和含量均有一定影響;利用K_2CO_3所得生物油中酸類化合物含量減少,而酚類化合物含量增多。(3)在進一步的實驗中,我們以此前的液化副產(chǎn)物替代純水,用于大麥秸稈循環(huán)液化研究。實驗結(jié)果表明,水相中的有機酸及多元醇有利于大麥秸稈在亞臨界條件下的分解及溶解;同時,水相的循環(huán)次數(shù)對生物油產(chǎn)率有積極影響(三次循環(huán)后達到38.44%)。此外,水相循環(huán)可在一定程度上提升生物油品質(zhì),并對其熱值有一定正面作用。(4)基于上述研究結(jié)果,我們對反應溫度、反應時間、催化劑添加量及生物質(zhì)/水的質(zhì)量比對生物油產(chǎn)率的影響進行了統(tǒng)計學實驗研究。結(jié)果表明,大麥秸稈的最佳液化條件為反應溫度304.8 oC、反應時間15.5 min、催化劑添加量11.7%、生物質(zhì)/水的質(zhì)量比18%。模型驗證的實驗結(jié)果也表明,實驗值與模擬值之間的誤差為6.25%,驗證了此模型的有效性。(5)在前述研究的基礎(chǔ)上,我們對不同配方的木材類生物質(zhì)漿液進行了連續(xù)液化,并將木材轉(zhuǎn)化為了熱值較高(?38 MJ/kg)的生物油。相對于間歇式反應器試驗結(jié)果,連續(xù)式運行裝置更有利于木材脫氧液化。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TK6

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