【摘要】：生物質(zhì)能是全球繼煤炭、石油、天然氣之后的第四大能源,其來源廣泛、應用成本低等特點決定其已經(jīng)成為國際能源轉(zhuǎn)型的重要力量。加大生物質(zhì)能的研發(fā)和應用力度,不僅能夠推動能源產(chǎn)業(yè)升級,完成新舊動能轉(zhuǎn)換,同時可以改善工業(yè)生態(tài)、推動新式循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。相較傳統(tǒng)化石燃料而言其應用方式更具多樣性和復雜性。其中,氣化技術(shù)是目前常見的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù),但過程會伴隨焦油的產(chǎn)生,焦油的存在不僅會腐蝕設(shè)備、堵塞管道、造成二次污染,而且還會降低生物質(zhì)氣化效率,該問題限制了生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展和應用。目前,很多學者針對生物質(zhì)焦油問題進行了廣泛研究,但始終沒有找到一種高效、清潔、操作方便、穩(wěn)定可靠的焦油處理方法。研究發(fā)現(xiàn),微波作用于具有特殊形態(tài)(如尖端、鋒利邊緣)的金屬時會產(chǎn)生一種獨特的放電現(xiàn)象,且過程伴隨明顯的放熱、放電以及等離子體激發(fā),多種效應的耦合在一定程度上能夠加速有機質(zhì)裂解反應、提高資源回收效率和利用率。因此,本文以去除生物質(zhì)氣化工藝中的焦油為目標,選擇焦油中含量最高且擁有典型代表性化學結(jié)構(gòu)的甲苯為焦油模型化合物,提出利用微波誘導金屬放電機制強化生物質(zhì)焦油裂解的技術(shù)方案。并采用從可行性分析到機理研究、從機理研究到工藝應用的研究方法,對微波誘導金屬放電強化生物質(zhì)焦油裂解的過程、影響因素及機理展開系統(tǒng)研究。開展的主要工作如下:采用試驗手段,根據(jù)甲苯經(jīng)過微波金屬放電區(qū)域前后的濃度變化,展開微波誘導金屬放電強化生物質(zhì)焦油裂解的可行性研究。同時,考察放電過程中微波電磁參數(shù)、金屬介質(zhì)屬性、放電氣體等參數(shù)對金屬放電強度和甲苯裂解效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明,950ppm的甲苯經(jīng)過一定強度的微波金屬放電區(qū)域后濃度發(fā)生明顯降低,且裂解氣中有小分子可燃氣體產(chǎn)生,該結(jié)論證實在微波輻照條件下金屬介質(zhì)的放電現(xiàn)象對甲苯裂解的強化作用。同時研究發(fā)現(xiàn)金屬介質(zhì)的數(shù)量和金屬介質(zhì)的活性都會增強甲苯的裂解效果,而惰性氣體的性質(zhì)對裂解效率也會產(chǎn)生明顯影響。在微波金屬放電強化甲苯裂解可行性得到證實的基礎(chǔ)上,通過多種分析測試手段對放電條件下甲苯裂解氣、液、固三相產(chǎn)物特性展開研究,并與傳統(tǒng)熱解進行對比,以此明確微波金屬放電作用下甲苯裂解反應進行的深度及裂解產(chǎn)物優(yōu)勢。結(jié)果發(fā)現(xiàn),甲苯在極其簡易微波金屬放電環(huán)境中裂解反應的進行程度,即可達到與傳統(tǒng)900℃高溫熱解近似甚至更徹底的效果,且放電條件下得到裂解產(chǎn)物中H2選擇性和固體析炭的石墨化程度等特性都優(yōu)于傳統(tǒng)熱解法。針對微波金屬放電的產(chǎn)熱特性,提出通過微波-介質(zhì)精密量熱法進行放電整體熱效應的準確測量,探討不同變量對金屬放電熱效應的影響規(guī)律。并且基于整體熱效應的定量測定,利用ANSYS等數(shù)值模擬軟件推算不同條件下(金屬種類、輻照時間等)金屬放電誘發(fā)高溫位點的局部溫度與界面溫度梯度,明確微波金屬放電引發(fā)熱點的程度。結(jié)果表明,直接量熱法創(chuàng)造性地實現(xiàn)了金屬放電過程整體熱效應的定量評估,放電過程中金屬介質(zhì)屬性和電磁參數(shù)等變量對放電產(chǎn)熱均存在一定影響。同時,放電溫度場模擬結(jié)果證實熱點效應的存在性,并從放電產(chǎn)熱角度揭示微波金屬放電裂解甲苯的作用機理。針對微波誘導金屬放電的發(fā)光特性,建立一套高靈敏度的等離子光譜分析系統(tǒng),利用發(fā)射光譜法對不同條件下的微波金屬放電等離子體進行診斷,分析微波誘導金屬放電的微觀物理過程,從等離子體效應角度揭示微波金屬放電裂解焦油的機理和規(guī)律。同時探討了放電過程中,微波場內(nèi)植入金屬電極材料(Fe、Ni、W)、放電氣體介質(zhì)種類(N2、He、Ar)以及外加微波功率等物理參量對放電等離子體釋放的作用規(guī)律,明確金屬放電等離子特性的影響機制。結(jié)果表明,微波誘導金屬放電是由金屬介質(zhì)所含元素原子與環(huán)境氣氛氣體原子的電子躍遷共同作用產(chǎn)生,過程中伴隨著高能量粒子的產(chǎn)生、猝滅以及等離子體的釋放。其中,放電氣體介質(zhì)從根本上決定著放電等離子體發(fā)射光譜的譜線分布區(qū)域,而金屬種類和微波功率的影響主要體現(xiàn)在等離子體發(fā)射光譜的強度上。最后基于試驗與機理研究結(jié)果,提出了一種將生物質(zhì)熱解制氣與微波金屬放電裂解生物質(zhì)焦油組合為一體的新型工業(yè)化思路,擬將微波與特殊形態(tài)金屬誘發(fā)放電裂解焦油模型化合物的方法,應用到實際生物質(zhì)連續(xù)熱解的工況情景,展開一系列放電環(huán)境下中藥渣焦油脫除性能的試驗研究。結(jié)果表明,微波金屬放電在真實生物質(zhì)熱解系統(tǒng)中對焦油同樣具有很好的脫除效果。另外,通過過程影響因素的優(yōu)化配置,明確提高微波輻照功率、延長氣體停留時間、增加放電裝置級數(shù)以及塑造光催化耦合效應對焦油裂解的強化作用。完成了微波金屬放電和中藥渣催化熱解的技術(shù)集成,形成熱轉(zhuǎn)化燃氣制備和凈化提質(zhì)技術(shù)路線和工藝包,為最終生物質(zhì)高效資源轉(zhuǎn)化、降低生物質(zhì)熱解焦油排放量以及改善生態(tài)環(huán)境提供一種新工藝。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK6
【圖文】：

生物質(zhì)能是重要的可再生能源，具有綠色、低碳、清潔、可再生等特點，是逡逑全球繼煤炭、石油、天然氣之后的第四大能源，為國際能源轉(zhuǎn)型提供重要支持（如逡逑圖１．２＾）。我國作為農(nóng)林業(yè)大國，生物質(zhì)資源豐富，能源化利用潛力大。根據(jù)中國逡逑工程院《中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研宄報告》，我國含太陽能的清潔能源開采資源逡逑量為２１．４８億噸標準煤，其中，生物質(zhì)能占５４．５％，年產(chǎn)能在１０億噸標煤以上，逡逑是水能的２倍和風能的３．５倍［７］。國家能源局發(fā)布《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》逡逑明確指出，到２０２０年，生物質(zhì)能基本實現(xiàn)商業(yè)化和規(guī)�；�，生物質(zhì)能年利用逡逑量約５８００萬噸標準煤，發(fā)電總裝機容量達到１５００萬千瓦，年發(fā)電量９００億千瓦逡逑時，年銷售收入約１２００億元，產(chǎn)業(yè)新增投資約１９６０億元［８］。除此之外，生物質(zhì)是逡逑Ｃ０２零排放的可再生燃料［９］，在形成期間，不僅可大幅降低（：０２排放量，亦能消化逡逑吸收水體、土壤中的重金屬離子和其他污染物，起到修復生態(tài)環(huán)境的利好效應％，１１］。逡逑《２０１７－２０２２年中國生物質(zhì)能發(fā)電市場研究及發(fā)展趨勢研究報告》顯示

轉(zhuǎn)化率高、降解有機物能力強、易于工業(yè)化等優(yōu)點，是生物質(zhì)能主要的技術(shù)發(fā)展逡逑方向之一�，F(xiàn)階段常見的生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)主要包含直燃、熱解、氣化和液逡逑化四種途徑１１３］，具體如圖１．３。逡逑燃燒｜邐｜熱解｜邐｜氣化｜邐｜液化逡逑Ｉ邐Ｉ逡逑熱量｜邋木炭｜邐｜喊氣｜丨系體逡逑鍋ｂ邋｜丨汽輪ｍ邋｜丨化學備成丨｜內(nèi)＆機｜邋｜萃�。鍩掑义想娏﹀澹澹寮状煎澹澹铣砂保澹瘜W品｜邋｜邋柴油逡逑圖１．３生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的熱化學過程和相關(guān)產(chǎn)物逡逑其中，生物質(zhì)氣化技術(shù)是當前生物質(zhì)能高效利用的主要方式之一，與直接燃逡逑燒技術(shù)相比，具有燃燒穩(wěn)定、熱效率高、污染小（尤其是ＰＭ２．５指數(shù)低）等優(yōu)點。逡逑按照氣化轉(zhuǎn)化效率的高低可將其分為部分氣化和完全氣化兩類，部分氣化指的是逡逑沼氣發(fā)酵、熱化學熱解和高壓液化（直接液化）等技術(shù)；而完全氣化也就是通常逡逑所說的生物質(zhì)氣化，是以生物質(zhì)為原料，采用熱解及熱化學氧化法在缺氧條件下逡逑加熱，使其發(fā)生復雜熱化學反應的能量轉(zhuǎn)化，最終產(chǎn)生ＣＯ、Ｈ２、ＣＨ４、Ｃ？，Ｈ？等混逡逑合氣體的過程［１４］，原理示意圖如圖１．４所示ｌ｜５ｌ逡逑邐＾邋Ｈ２0ｂ邋ＣＯｂ邋Ｃ0２ｂ逡逑Ｈ２ｅ邐0２逡逑生物質(zhì)」ｖ邋（n礤危榷蟈慰扇夾云邋義�？逦丁辶x希齲玻希蟈澹

本文編號：2771666