【摘要】：全球能源消耗量的增長和化石燃料的不科學(xué)使用給自然生態(tài)環(huán)境帶來巨大的負(fù)面影響,使得對生物質(zhì)等可再生能源的研究越來越受重視。熱解是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用的重要途徑之一,利用生物質(zhì)熱解技術(shù)可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭、生物油和可燃?xì)怏w三態(tài)產(chǎn)物,其中,生物油通過精制之后可以用作化石燃料的替代品,但是生物油有機(jī)組分復(fù)雜限制其規(guī)�；�。針對以上問題,本文開展了生物質(zhì)連續(xù)熱解揮發(fā)物分級冷凝及冷凝產(chǎn)物特性研究,為生物油的規(guī)�；瘧�(yīng)用提供理論支持,具體研究內(nèi)容包括:(1)采用兩級進(jìn)料系統(tǒng)和柔性輸送技術(shù)搭建生物質(zhì)連續(xù)熱解系統(tǒng),對松子殼、油茶殼、木屑和稻殼開展連續(xù)熱解試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠提供連續(xù)熱解所需的絕氧密封工藝條件,實(shí)現(xiàn)了物料穩(wěn)定輸送和熱解揮發(fā)物順暢排出,對生物質(zhì)原料適應(yīng)性強(qiáng)。采用分級冷凝工藝對液體產(chǎn)物在線初級分離,同時(shí)考察了原料種類、熱解溫度、進(jìn)料速度、冷凝溫度、冷凝換熱面積等因素對工藝的影響。結(jié)果表明:隨著熱解溫度升高,分級生物油的產(chǎn)率下降明顯,超過500℃后下降幅度迅速增大;不同物料所獲得分級生物油產(chǎn)率區(qū)別明顯;增加冷凝換熱面積后,分級生物油產(chǎn)率都有所增加;降低進(jìn)料速度后分級生物油產(chǎn)率略有升高;降低冷凝溫度后分級生物油產(chǎn)率增加明顯,冷凝溫度對分級生物油產(chǎn)率影響最為顯著。(2)分析連續(xù)熱解和分級冷凝工藝參數(shù)對分級生物油的含水率、熱值、p H值、密度、粘度等物化特性的影響:松子殼分級生物油的含水率都比較低,熱值隨熱解溫度升高而升高,且1級生物油的熱值均高于2級生物油。增加換熱面積后分級生物油的含水率隨熱解溫度變化不大,熱值隨熱解溫度的升高而升高,熱解溫度在450℃時(shí)2級生物油熱值最低(26.194MJ·kg-1)。降低進(jìn)料速度對1級生物油的含水率影響不大,對2級生物油的含水率影響較大,熱值總體變化不大。降低分級冷凝溫度后,生物油的含水率明顯升高,2級生物油的含水率大幅增加到38.73 wt%,1級生物油的熱值也明顯下降;不同原料生物油的含水率相差不大,都在較低水平,熱值較高。分級生物油的pH值在2.68-4.55之間,具有較強(qiáng)的酸性。熱解溫度從450℃到500℃,生物油的密度有較大提高,從500℃到550℃,密度略有變小,1級生物油的密度均大于2級生物油。降低進(jìn)料速度對分級生物油的密度影響較小,降低分級冷凝溫度后密度下降明顯;不同原料的生物油均有較大的密度,其中松子殼1級生物油的密度最大,為1.255 g/ml,轉(zhuǎn)化為體積能量密度達(dá)到柴油的96.85%。隨著熱解溫度升高,生物油的粘度增大,熱解溫度超過550℃后分級生物油常溫狀態(tài)下流動性極差,且1級生物油的粘度也明顯高于2級生物油。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得各組生物油Andrade粘溫方程,擬合度均較高。(3)利用GC-MS聯(lián)用分析技術(shù),分析生物油的成分組成及其分布規(guī)律。分級生物油的成分均以烴類和酚類有機(jī)物為主。松子殼分級生物油中烴類物質(zhì)以脂肪烴為主,碳原子數(shù)集中在11-30,隨著熱解溫度升高,烴類碳原子數(shù)逐漸增加;脂肪烴和芳香烴會相互轉(zhuǎn)化,在550℃時(shí)芳香烴成為主體,在1、2級生物油中含量分別為32.61%和20.13%。酚類物質(zhì)以單元酚為主,占酚類總量的60%以上,酚類的碳原子數(shù)集中在6-9之間,以單環(huán)酚為主。油茶殼生物油中烴類以碳原子數(shù)11-30的脂肪烴為主,但在600℃時(shí)芳香烴成為主體;酚類物質(zhì)以單元酚為主,占整個(gè)酚類的95%,碳原子數(shù)則集中在6-9。降低進(jìn)料速度后,烴類物質(zhì)含量增加3%,酚類物質(zhì)下降約8%。隨著熱解時(shí)間延長,熱解揮發(fā)物的二次反應(yīng)加劇,長鏈烴轉(zhuǎn)化為短鏈烴,多元酚則轉(zhuǎn)化為單元酚,烴類碳原子數(shù)由20-30向11-20轉(zhuǎn)移,酚類羥基減少,碳原子數(shù)始終以7-9為主。隨著冷凝溫度升高,主要產(chǎn)物中的烴類和酚類物質(zhì)有效分離,酚類物質(zhì)主要向2級冷凝系統(tǒng)轉(zhuǎn)移,而烴類物質(zhì)則留在1級冷凝系統(tǒng)中。原料的組分對生物油成分有直接影響,三大組分間存在復(fù)雜的交互作用,其中纖維素和半纖維主要轉(zhuǎn)化為烴類,木質(zhì)素則主要轉(zhuǎn)化為酚類。松子殼和油茶殼生物油的分離效果較好,稻殼和木屑的分離效果較差,需要根據(jù)不同的原料選擇不同的連續(xù)熱解及分級冷凝的工藝參數(shù)。(4)利用TG-DSC聯(lián)用技術(shù),分析生物油的熱解和燃燒特性。研究結(jié)果表明,分級生物油的熱解過程大致可以分為水分和低沸點(diǎn)輕質(zhì)組分的揮發(fā),中/重質(zhì)組分的熱解和生物油內(nèi)部少量揮發(fā)分的緩慢析出三個(gè)反應(yīng)階段。通過與熱解過程對比可將分級生物油的燃燒過程分為水分和輕質(zhì)組分的揮發(fā),中/重質(zhì)組分的分解,揮發(fā)分緩慢燃燒,殘?zhí)縿×胰紵膫�(gè)階段。在揮發(fā)分緩慢燃燒階段,樣品在空氣氣氛下的熱重曲線相比氮?dú)鈿夥障碌臒嶂厍�開始出現(xiàn)明顯不同。殘?zhí)咳紵A段,高溫?zé)峤馑蒙镉偷娜紵郎囟葏^(qū)間大。相比1級生物油,2級生物油燃燒開始時(shí)間早,放熱量低,殘?zhí)咳紵龥]有1級生物油反應(yīng)劇烈,熱解溫度對其影響較小。增大冷凝換熱面積后,分級生物油燃燒區(qū)間向低溫區(qū)偏移,1級生物油燃盡的時(shí)間提前。降低進(jìn)料速度后,1級生物油燃燒區(qū)間向低溫區(qū)偏移,殘?zhí)咳紵A段的最大失重速率增大;2級生物油燃燒區(qū)間延長。降低冷凝溫度后,1級生物油著火溫度提前,殘?zhí)咳紵A段最大失重速率減小,燃燒性能變差;2級生物油著火溫度增大,燃盡時(shí)間提前。對于其他原料,油茶殼1級生物油燃燒性能好于稻殼和木屑1級生物油。隨著升溫速率的增加,DTG曲線的最大失重峰增大,且對應(yīng)的溫度升高,燃燒階段的反應(yīng)加劇,燃燒區(qū)間后移,升溫速率在30 K/min時(shí),到反應(yīng)終溫后,1、2級生物油分別有6.41%和5.80%的殘?zhí)繘]有燃燒。升溫速率對分級生物油的燃燒影響明顯。利用多種燃燒特性指數(shù)綜合表征分級生物油產(chǎn)物的燃燒性能。對于松子殼分級生物油,熱解溫度在500℃時(shí),1級生物油可燃特性指數(shù)(7.424×10-6 K-2min-1)和綜合燃燒特性指數(shù)(12.282×10-9 K~(-3)min~(-2))最大,2級生物油可燃特性指數(shù)(5.671×10-6 K-2min-1)和綜合燃燒特性指數(shù)(6.519×10-9 K~(-3)min~(-2))則為最小,兩級生物油區(qū)別最為明顯;降低進(jìn)料速度后,1級生物油的可燃特性指數(shù)、燃盡特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)均增大;降低冷凝溫度后,分級生物油的燃燒特性指數(shù)降低,2級生物油的綜合燃燒特性指數(shù)降至3.36×10-9 K~(-3)min~(-2)。其他原料分級生物油中,油茶殼1級生物油的可燃特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)明顯高于稻殼和木屑1級生物油,其中木屑1級生物油的可燃特性指數(shù)(5.903×10-6 K-2min-1)和綜合燃燒特性指數(shù)(7.55×10-9 K~(-3)min~(-2))均最低,2級生物油中,稻殼生物油的燃燒特性相對較好。試驗(yàn)中所有分級生物油樣品的燃盡特性指數(shù)都相差不大,綜合燃燒特性指數(shù)均明顯高于原料的綜合燃燒特性指數(shù)。(5)研究合成熱解不凝氣和CO2氣體對生物油模擬物冷凝特性的影響。當(dāng)不凝氣體在混合氣中所占比例一定時(shí),局部熱流密度和局部對流換熱系數(shù)隨冷凝管路軸向距離的增加而減小;隨著混合氣中不凝氣含量的增加,局部熱流密度和局部換熱系數(shù)減小,不凝氣體在混合氣中所占比例對冷凝性能影響顯著。以合成熱解氣為不凝氣時(shí),在冷凝管軸向距離0.35m之前,局部對流換熱系數(shù)隨不凝氣濃度的增加明顯下降,以CO2為不凝氣時(shí),在冷凝管軸向距離0.25 m之前,局部對流換熱系數(shù)隨不凝氣濃度的增加明顯下降,之后便趨于極低的穩(wěn)定值,說明CO2對局部對流換熱系數(shù)的影響要大于合成熱解氣,不同的不凝氣體對冷凝特性的影響也不同。通過不凝氣對模擬熱解揮發(fā)物冷凝影響的試驗(yàn)與分級冷凝試驗(yàn)結(jié)果的對比,進(jìn)一步證明不凝氣對生物油分級冷凝的影響顯著。為全面了解熱解揮發(fā)物的冷凝特性及高效分級冷凝器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。
【圖文】：

圖 1-1 生物質(zhì)的生長過程[16]Fig.1-1 Growth process of biomass[16]質(zhì)是唯一可再生的碳源風(fēng)能和水能是可再生的過程能源，，這三種能源都能夠轉(zhuǎn)化為電為液體燃料和化學(xué)產(chǎn)品，與其他可再生能源相比，生物質(zhì)的突出

圖 1-2 生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用技術(shù)Fig.1-2 Energy conversion and utilization technology of biomass型燃料技術(shù)法是指通過壓縮成型將生物質(zhì)進(jìn)行利用的轉(zhuǎn)換技術(shù)，是在一定的溫生物質(zhì)壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀的成型燃料。相對于生物質(zhì)原料，
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2687028