【摘要】：化石燃料對(duì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)文明進(jìn)步起到了至關(guān)重要的推動(dòng)作用,但由于其儲(chǔ)量有限以及環(huán)境不友好等缺點(diǎn)也引發(fā)了社會(huì)各界的擔(dān)憂。生物燃料作為清潔、可再生替代燃料,對(duì)其大力開(kāi)發(fā)有望解決化石燃料應(yīng)用中不可持續(xù)和高排放等問(wèn)題。在眾多生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)中,水熱液化由于無(wú)需對(duì)生物原料進(jìn)行繁瑣高能耗的干燥,在處理高含水量生物質(zhì)時(shí)顯示出明顯優(yōu)勢(shì),通過(guò)在亞臨界水中一步轉(zhuǎn)化能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)全組分利用,獲得較高油產(chǎn)率及能量回收率。本文針對(duì)廣泛存在于自然界中的低脂微藻螺旋藻和我國(guó)沿海一帶的入侵植物互花米草——兩種高含水量的生物質(zhì),研究其摻混后的共水熱液化特性,探究不同反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、摻混比例下兩者的協(xié)同效應(yīng),而通過(guò)開(kāi)展互花米草中兩種主要組成成分——纖維素和木質(zhì)素分別與螺旋藻共水熱液化協(xié)同特性的研究來(lái)揭示螺旋藻與互花米草共水熱液化協(xié)同增效機(jī)理,以進(jìn)一步提高摻混原料水熱液化后的生物油產(chǎn)率和品質(zhì),實(shí)現(xiàn)螺旋藻和互花米草的高效能源化。主要研究?jī)?nèi)容和取得的創(chuàng)新性研究成果如下:(1)采用單因素試驗(yàn)結(jié)合響應(yīng)曲面法分別對(duì)螺旋藻和互花米草各自的水熱液化特性開(kāi)展研究,螺旋藻中蛋白質(zhì)含量超過(guò)70wt.%,脂質(zhì)含量?jī)H為5wt.%,是一種典型的高蛋白低脂類微藻。在反應(yīng)溫度為335℃、停留時(shí)間45min、3g原料以及30mL水的試驗(yàn)條件下獲得40wt.%的最高油產(chǎn)率。互花米草中纖維素和半纖維素含量超過(guò)65%,木質(zhì)素含量超過(guò)10 wt.%,是一種典型的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)。反應(yīng)溫度和停留時(shí)間對(duì)互花米草在亞臨界水中的產(chǎn)油率影響不大,在360℃的較高溫度下獲得的最佳生物油產(chǎn)率約為15wt.%,明顯低于螺旋藻的生物油產(chǎn)率。(2)開(kāi)展螺旋藻和互花米草共水熱液化特性的研究,結(jié)果顯示,摻混原料在不同的反應(yīng)溫度和反應(yīng)停留時(shí)間下都表現(xiàn)出了顯著的協(xié)同效應(yīng),主要體現(xiàn)在生物油產(chǎn)率以及品質(zhì)的變化上,在360℃、30min及摻混比例1:1時(shí)獲得了最佳的生物油產(chǎn)率(超過(guò)了30wt.%)。摻混使生物油中包含更多的脂肪酸類物質(zhì)。在340~360℃的液化溫度區(qū)間內(nèi)可獲得較高的生物油熱值以及能量回收率,摻混原料在液化反應(yīng)過(guò)程中的積極協(xié)同效應(yīng)改變了產(chǎn)物生成路徑,進(jìn)而提高了生物油的產(chǎn)率以及品質(zhì)。(3)開(kāi)展螺旋藻與α-纖維素共水熱液化特性的研究,結(jié)果顯示,螺旋藻與α-纖維素之間的協(xié)同增效使生物油產(chǎn)率大幅提升。在300℃、30min及摻混比例2:1時(shí),生物油產(chǎn)率超過(guò)40wt.%。與螺旋藻和α-纖維素在同樣條件下單獨(dú)水熱液化相比,協(xié)同效應(yīng)超過(guò)16wt.%,幾乎可達(dá)到采用催化劑帶來(lái)的生物油產(chǎn)量提升效益。兩者摻混水熱液化過(guò)程中降低了碳化反應(yīng),強(qiáng)化了脫水、聚合、縮合、環(huán)化以及美拉德反應(yīng),導(dǎo)致生物油中含有大量含氮含氧雜環(huán)。同時(shí),摻混原料生物油能量回收率高達(dá)80%。(4)開(kāi)展螺旋藻與木質(zhì)素共水熱液化特性研究,結(jié)果顯示,在反應(yīng)溫度340℃以上摻混原料生物油的品質(zhì)有顯著提升。在350℃、50min時(shí),木質(zhì)素水熱液化獲得了超過(guò)23wt.%的生物油產(chǎn)率。而摻混原料在345℃、40min及摻混比例2:1時(shí)則可獲得32wt.%的產(chǎn)油率。摻混原料水熱轉(zhuǎn)化獲得的生物油主要成分是脂肪酸,特別是十六烷酸含量顯著增加,而含氮組分則明顯減少。(5)在乙醇-水共溶劑中開(kāi)展螺旋藻和互花米草共水熱液化特性研究。研究結(jié)果表明,乙醇的加入強(qiáng)化了生物油產(chǎn)率。其中,對(duì)互花米草生物油產(chǎn)率的提升最為明顯,生物油產(chǎn)率在340℃、30min及乙醇體積分?jǐn)?shù)50vol.%時(shí)達(dá)到了42wt.%。對(duì)螺旋藻生物油產(chǎn)率也有較大提升,在280℃、30min及乙醇體積分?jǐn)?shù)50 vol.%時(shí),生物油產(chǎn)率就達(dá)到了約40wt.%。而對(duì)其摻混原料而言,乙醇的加入促進(jìn)了產(chǎn)油率,但卻在一定程度上削弱了存在于兩種生物質(zhì)原料之間的協(xié)同增效作用。摻混原料生物油的脂含量高達(dá)25.85wt.%,能量回收率約為85%,均優(yōu)于螺旋藻、互花米草各自單獨(dú)水熱液化過(guò)程�；诼菪搴突セ撞莨菜疅嵋夯瘏f(xié)同特性及機(jī)理的研究可知,摻混原料在合適的操作條件下可制取更多、品質(zhì)更高的生物油,從而,合理利用生物質(zhì)之間存在的協(xié)同增效作用,既能更加高效的生產(chǎn)生物燃料,又能在一定程度上解決生物質(zhì)原料因季節(jié)、地理等因素造成的供給問(wèn)題,為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化液體生物燃料提供多種解決方案。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2791028