生物質(zhì)作為自然界中唯一可轉(zhuǎn)化為液體燃料以及唯一可替代化石能源的含碳可再生能源,與化石燃料的利用具有很好的兼容性。然而,生物質(zhì)含水量高、含氧量高、能量密度低、難于粉碎等問題限制了其應(yīng)用。低溫脫氧可脫除生物質(zhì)中的水分和過多的氧,同時提高生物質(zhì)的能量密度和改善生物質(zhì)的可磨性。鑒于此,本研究對生物質(zhì)的脫氧特性以及脫氧對生物質(zhì)熱解液化的影響進(jìn)行了深入分析,并結(jié)合脫氧過程中生物質(zhì)理化結(jié)構(gòu)的演變揭示了生物質(zhì)低溫脫氧機(jī)制。經(jīng)過大量的試驗研究和理論分析,該研究對生物質(zhì)的高效預(yù)處理以及生物質(zhì)的高質(zhì)化利用提供了理論指導(dǎo)和可靠的科學(xué)參考。首先采用熱重分析、固定床低溫脫氧裝置結(jié)合便攜紅外分析儀研究了生物質(zhì)模型組分以及天然生物質(zhì)的低溫脫氧過程特性以及氣體產(chǎn)物的析出行為,并結(jié)合熱分析動力學(xué)研究了生物質(zhì)低溫脫氧過程動力學(xué)機(jī)理與含氧氣體析出機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),在低溫脫氧過程中,半纖維素快速失重(228~317?C),O主要以H2O和CO2的形式析出,纖維素的脫氧溫度較高(314~390?C),O的主要析出形式以CO和CO2為主,而木質(zhì)素在低溫脫氧過程中失重較少,O主要以H2O的形式析出,玉米稈與棉稈具有相近的反應(yīng)區(qū)間(220~385?C),O以H2O、CO和CO2等形式析出;低溫脫氧過程中,三組分的反應(yīng)級數(shù)為1,玉米稈和棉稈的反應(yīng)級數(shù)為2,纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、玉米稈、棉稈的反應(yīng)活化能分別為238.99、77.19、28.42、109.27、120.91 kJ·mol-1。然后利用傅里葉紅外分析儀結(jié)合廣義二維相關(guān)光譜分析(2D-COS)方法研究了低溫脫氧過程中生物質(zhì)微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)的演變過程,揭示了生物質(zhì)低溫脫氧過程機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),低溫脫氧過程中,半纖維素從230?C開始主要發(fā)生C-O官能團(tuán)和OH的脫除,320?C時反應(yīng)完全;纖維素在290?C后,OH和C-O官能團(tuán)消失,同時生成大量的C=C、C=O官能團(tuán);木質(zhì)素原樣具有較高的OH、C-O以及C=C官能團(tuán),隨著處理溫度升高,木質(zhì)素各含氧官能團(tuán)緩慢裂解脫除;棉稈在290?C后主要發(fā)生的是OH的脫除,而玉米稈則主要發(fā)生脫羰反應(yīng)。同時,對固定床低溫脫氧系統(tǒng)的固體產(chǎn)物進(jìn)行了元素、工業(yè)、吸水性等分析,研究了低溫脫氧對生物質(zhì)理化特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),半纖維素主要脫氧溫度區(qū)間為230~260?C,脫除了64.48%的氧,纖維素為290~320?C,脫除了46.32%的氧,木質(zhì)素脫氧效果不明顯,390?C時僅脫除14.80%的氧,玉米稈和棉稈的主要脫氧區(qū)間分別在在260~390?C和260~350?C,分別脫除了65.49%和55.10%的氧;隨脫氧溫度的升高,熱值升高趨勢也很明顯,390?C處理后,纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、玉米稈、棉稈熱值分別提升了47.09%、58.71%、10.58%、31.88%、36.39%;低溫脫氧處理降低了各樣品的吸水性,有利于生物質(zhì)的儲存和運(yùn)輸。接著,本研究借助快速裂解分析儀與氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀以及固定床快速熱解反應(yīng)試驗平臺對脫氧生物質(zhì)的快速熱解液化特性進(jìn)行了研究,重點(diǎn)分析了低溫脫氧對生物油組成特性的影響。研究表明,較低溫度脫氧處理(200~290?C)僅降低了生物質(zhì)熱解油的產(chǎn)率,較高溫度脫氧處理(290~390?C)還減少了熱解油中含氧有機(jī)物的種類和產(chǎn)量,提高了芳烴類物質(zhì)的產(chǎn)量以及選擇性;低溫脫氧處理有利于減少催化劑的結(jié)焦量,脫除更多含氧有機(jī)物,并且催化劑使用量越多,熱解油成分越單一,芳烴選擇性越強(qiáng)。最后,結(jié)合本文前期研究成果,搭建了基于回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器的中試規(guī)模的低溫脫氧臺架,進(jìn)行了惰性氛圍以及模擬煙氣氛圍下的低溫脫氧試驗,并對固體產(chǎn)物進(jìn)行理化特性、可磨性、吸水性、燃燒性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明,處理溫度在200~260°C間,溫度是影響低溫脫氧特性的主要因素,高于260°C,氛圍是主要影響因素;低溫脫氧降低了生物質(zhì)的研磨能耗和吸水性,模擬煙氣氛圍下的效果更加明顯;煙氣氣氛下低溫脫氧處理后產(chǎn)品具有類似褐煤的燃燒屬性,但是該氣氛下處理溫度不宜超過260°C。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TK6
【部分圖文】：

脫氧、加氫反應(yīng)等[91]，具體如圖1-1所示。催化劑的選擇是催化熱解的關(guān)鍵，不同的催化劑可以得到不同的目標(biāo)產(chǎn)物[92]。沸石類催化劑因為對生物質(zhì)熱解揮發(fā)分中含氧小分子的脫氧和成烴反應(yīng)具有良好的催化性能，被廣泛應(yīng)用于催化提質(zhì)制取高品位生物油過程[93-95]。圖 1-1 生物質(zhì)催化熱解代表性提質(zhì)反應(yīng)[91]

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文2D-COS 分析手段深入研究了低溫脫氧過程中不同溫度下官能團(tuán)的演變規(guī)律，并對氧機(jī)理進(jìn)行闡述。第五章：通過 Py-GC/MS 進(jìn)行了低溫脫氧前后生物質(zhì)的熱解及催化熱解試驗，析了液體產(chǎn)物的成分，對典型液體產(chǎn)物的形成路徑進(jìn)行推測，探討熱解機(jī)理，并根液體產(chǎn)率優(yōu)化了低溫脫氧的溫度參數(shù)。在固定床臺架上也進(jìn)行了類似試驗，考察了化劑使用量對液體產(chǎn)物的影響。第六章：通過中試回轉(zhuǎn)窯臺架進(jìn)行了生物質(zhì)在惰性氛圍以及模擬煙氣氛圍下的溫脫氧試驗，研究了有氧條件下的低溫脫氧特性，驗證了將工業(yè)煙氣作為預(yù)處理熱的可能性，為生物質(zhì)低溫脫氧預(yù)處理技術(shù)的工業(yè)推廣提供支持與參考。第七章：全文總結(jié)�？偨Y(jié)本研究的主要成果、創(chuàng)新點(diǎn)和不足，并對后續(xù)的研究作給出建議。

光譜圖；該譜圖與光譜庫中每種氣體的標(biāo)定種氣體特征波段的峰高得到其濃度。使用過光程長5m；光譜范圍900~4200cm-1；最大分辨保持在180 C，管長6m；響應(yīng)時間<60s。試驗�，F(xiàn)場數(shù)據(jù)為每次掃描的各個氣體的析出量得到析出總量ml，再對其進(jìn)行微分可求得析
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2843747