煤直接液化残渣的热解特性研究

利用热重、固定床热解和红外光谱技术研究煤直接液化残渣的热解特性及热解产物分布、组成和性质,考察了热解回收油品的适用条件。结果表明,450℃~500℃下神华煤液化残渣(SHR)和胜利煤液化残渣(SLR)热解油产率分别约为32%和20%,450℃后升高温度对油产率影响不大,但会使热解油中沥青烯(A)含量增加。SHR的热解油主要是己烷可溶物组分(HS),与SHR中HS结构相似。但SLR的热解油中A组分含量接近50%。SHR中的HS组分在热解时的聚合并不明显;而SLR中的HS组分在热解过程中伴随明显的聚合,导致热解油中含有大量的沥青烯。在400℃~500℃,两种残渣中A均有向热解油转化的趋势,而且SLR中A组分表现出了较大的逸出能力。但从热解产物组成分布分析,A的逸出还是少量的,一部分分解产生油品,一部分与前沥青烯和四氢呋喃不溶物(THFIS)一起形成了半焦。     

硬木热解过程中颗粒内部二次反应的数值研究Ⅰ. 单颗粒热解模型的构建

为了研究生物质(硬木)热解过程中颗粒内部的二次反应,弥补常规实验研究在该领域内的不足,构建合适的数学模型进行数值模拟是一个很好的途径.本文介绍了硬木单颗粒热解综合模型的构建方法.针对所研究的问题,模型中细致考虑了包含一次焦油二次裂解的生物质热解动力学过程.为了准确描述热解产物在热解颗粒内部的传递和二次反应过程,模型包含了对热解过程中颗粒内部各种气相产物在孔隙率不断变化的生物质颗粒内的生成、消耗、积累以及在压力驱动下的输运等行为的描述.模型参数的选取尽可能真实地模拟了实际过程,引入转化率或温度对涉及到的各种物理性质参数进行了修正.构建的模型在理论上较全面地描述了单颗粒生物质热解的复杂过程,可以利用它对颗粒内部的二次反应过程进行进一步的研究.     

硬木热解过程中颗粒内部二次反应的数值研究 I、单颗粒热解模型的构建

为了研究生物质（硬木）热解过程中颗粒内部的二次反应，弥补常规实验研究在该领域内的不足，构建合适的数学模型进行数值模拟是一个很好的途径。本文介绍了硬木单颗粒热解综合模型的构建方法。针对所研究的问题，模型中细致考虑了包含一次焦油二次裂解的生物质热解动力学过程。为了准确描述热解产物在热解颗粒内部的传递和二次反应过程，模型包含了对热解过程中颗粒内部各种气相产物在孔隙率不断变化的生物质颗粒内的生成、消耗、积累以及在压力驱动下的输运等行为的描述。模型参数的选取尽可能真实地模拟了实际过程，引入转化率或温度对涉及到的各种物理性质参数进行了修正。构建的模型在理论上较全面地描述了单颗粒生物质热解的复杂过程，可以利用它对颗粒内部的二次反应过程进行进一步的研究。     

神华煤直接液化残渣热解特性研究

通过热重分析技术考察了神华煤直接液化残渣的热解特性。结果表明,和煤热解相比,在相同条件下残渣热解具有更大的失重率和失重速率。残渣热失重分为三个阶段,在173℃以前为残渣热解第一阶段;从173℃～510℃是残渣热解第二阶段,此阶段为残渣的主要失重阶段;510℃以后是残渣热解的第三阶段,在这个阶段残渣继续失重,此阶段的失重是由于残渣的二次分解和残渣中的矿物质分解造成的。通过比较脱油前后残渣热失重曲线发现,残渣主要失重是由于残渣中重质油、沥青烯以及前沥青烯的热解以及挥发造成的。通过脱灰残渣的热解发现,与原残渣相比,脱灰后残渣的失重量变小,矿物质的分解和残渣中有机组分的缩聚是温度高于649℃以后残渣失重的主要原因。由热解特征参数看出,脱油残渣的初始热解温度、最大失重温度以及剧烈热解终温均高于原煤,说明和原煤相比,脱油后残渣中惰性组分不易热解。与原煤和四氢呋喃脱油渣相比,残渣具有最大的失重速率,这是由于残渣中含有大量重质油、沥青烯以及前沥青烯造成的。     

煤与稻杆共液化性能研究

通过与神府煤和稻杆单独热解和液化的对比,研究了神府煤与生物质稻杆的共热解和共液化行为,考察和揭示了两者之间的协同作用。热重分析表明,稻杆的热解温度较低,在与神府煤共热解时,由于在较低温度下稻杆热解形成的自由基对煤热解的促进作用,使得混合物实际的热解失重高于对应的加权平均计算结果。共液化结果表明,神府煤与稻杆之间存在着明显的协同效应,并因液化反应条件的不同而不同。在较高的液化反应温度和较长的反应时间,由于煤本身的热解速率增加,系统内供氢能力的不足导致逆向缩合反应速率增加,减弱了两者的协同效应。在实验条件范围内,当稻杆配入量为50%,在400℃,60min的反应条件下,神府煤与稻杆共液化时产生的协同效应最大。此时,共液化转化率和正己烷可溶物分别高于对应加权平均计算值的14.8%和9.7%,气体产率也同时降低了2.6%。     

煤直接液化残渣溶剂萃取组分的热解行为研究

利用热重技术和固定床热解/在线质谱检测技术研究了残渣萃取组分重质油(HS)、沥青烯(A)、前沥青烯(PA)和四氢呋喃不溶物(THFIS)的热解特性,并尝试探讨了各萃取组分的热解行为与加氢行为之间的关系。研究结果表明,残渣中各萃取组分的加氢转化能力与其热分解能力有关。四种组分在SHR加氢液化产生的正协同作用的原因,在于各萃取组分之间的相互作用导致了HS和A族组分中的某些低温挥发组分,在较低温度区间不挥发逸出,而在较高温度区间裂解,迎合了加氢液化对自由基碎片的需求。但PA的存在有利于缩聚反应的发生,可促进裂解产物的再聚合,从而对加氢液化产生不利影响。     

硬木热解过程中颗粒内部二次反应的数值研究Ⅱ.数值模拟结果

为了研究生物质（硬木）热解过程中颗粒内部的二次反应，对流化床环境下单颗粒生物质热解模型进行了求解。计算针对典型大颗粒和典型小颗粒在流化床反应器反应条件下的热解过程，对不同大小颗粒内部各种产物的生成、消耗、积累以及逃逸行为进行了定量描述。计算结果表明：对于直径为2mm的小颗粒，颗粒内二次裂解的份额可以忽略，但是对于直径10mm的大颗粒，热争过程中有超过20%的一次焦油参加了颗粒内部二次反应，颗粒内二次裂解显著地改变了热解产物分布，改变了热解产物的品质。     

生物质热解、加氢热解及其与煤共热解的热重研究

在加压热天平上用非等温热重法进行生物质（锯末、稻壳）在Ｎ２气氛下的热解和加氢热解研究。考察了升温速率（５～２５℃／ｍｉｎ）和压力（０．１～７ＭＰａ）的影响，求取了热解动力学参数，并研究了生物质与煤在常压Ｎ２气下的共热解过程。研究结果表明：生物质在４００℃左右即完成热解反应，总失重率大于７０％（Ｗ％，ｄａｆ．），热解时仅一个峰位于３００℃左右；与煤热解行为相同，随升温速率及压力的升高，转化率下降，ＤＴＧ峰移向高温，但由于热解反应在较低温度下进行，氧气的存在对生物质热解ＴＧ和ＤＴＧ的影响远小于煤热解。证明生物质热解以其内部氢对自由基的饱和及分子重排反应为主。生物质热解可用一级反应动力学处理，主要热解阶段及表现活化能分别为：锯末，２６７～３１４℃，６９．６６ｋＪ／ｍｏｌ；稻壳，２８３～３１０℃，５３．４５ｋＪ／ｍｏｌ；生物质由于与煤的热分解温度相差很大，因而在其共热解过程中无协同作用。     

两种烟煤的液化及液化油的组成特征研究

在400℃、30min,7MPa冷氢压条件下两种煤液化结构表明,兖州煤比DECS－6（美国煤）煤更容易液化或共液化,这可能与兖州煤硫含量比较高有关,但DECS－6煤的油收率要高于兖州煤,表明EDCS－6煤容易裂解生成小分子化合物,同时种煤液化油的沸点分布特征基本一致。UV（紫外光谱）特征表明,液化油中单环芳烃主要为烷基取代苯类化合物,二环芳烃组分主要是烷基取代萘类化合物,三环芳烃主要为涉位缩合的菲类化合物,四环芳烃主要为芘、化合物,五环芳烃以苯并芘类化合物为主,而极性化合物可归属为含O、S、N的极性芳香化合物。     

离子液体溶胀对煤直接液化残渣结构及热解性能的影响

采用四种相同阴离子不同有机链长阳离子的离子液体([EMIM][MeSO_4]、[BMIM][MeSO_4]、[HMIM][MeSO_4]和[OMIM][MeSO_4])对煤直接液化残渣(DCLR)进行溶胀处理,通过SEM、FT-IR和TG-DTG表征,分析了各离子液体溶胀对煤直接液化残渣溶胀效果、表面形貌、官能团分布、主体结构和热解性能的影响。溶胀结果表明,不同链长离子液体对煤直接液化残渣具有不同的溶胀效果,[HMIM][MeSO_4]对残渣溶胀效果最好,其溶胀度高达1.78。FT-IR表明,不同链长离子液体会不同程度地破坏煤中C-H键,使得脂肪族和芳香族类化合物的相对含量有所差异。由TG-DTG可知,不同链长离子液体溶胀对残渣热解性能的影响具有较大差异,其中,以离子液体[OMIM][MeSO_4]溶胀对残渣的热解最为有利,失重率高达47.5%;而离子液体[BMIM][MeSO_4]溶胀在一定程度上抑制了残渣的热解,其失重率低于未经溶胀处理的残渣。基于Coats-Redfern法的热解动力学分析表明,煤直接液化残渣及其溶胀残渣在低温段(180-480℃)的热解过程均符合二级反应动力学,高温段(480-825℃)均以三级和四级反应动力学为宜。另外,不同链长离子液体溶胀处理明显改变了残渣的热解活化能,其链越长残渣的热解活化能越高。     

玉米秸热解动力学研究

生物质能具有低硫和二氧化碳零排放的特点,其在能源结构中的地位越来越重要。作为一种高效生物质能转化途径,热化学转化可获得气、液和固态多种能源产物。其中,热解是热化学转化中最为基本的过程,是气化、液化及燃烧过程的初始和伴生反应,对热解的分析有助于热化学转化过程控制及高效转化工艺的开发。热解动力学是表征热解过程中反应过程参数对原料转化率影响的重要手段,通过动力学分析可深入了解反应过程和机理,预测反应速率及难易程度,为生物质热化学转化工艺的研究开发提供重要的基础数据。国外对纤维素热解动力学已进行了一些研究,但生物质作为纤维素、半纤维素、木质素等的复杂聚合物,其热解行为与单纯纤维素差别较大。因此本文的热解研究集中在玉米秸这种常见的软质秸秆类生物质原料。     

生物质热解液化与美拉德反应

对生物质热解液化和美拉德反应进行了介绍,指出美拉德反应不仅存在于生物质热解液化过程中,而且通过引入适量氨等调控措施,可以促进美拉德反应有选择性地生成吡嗪类杂环化合物等高值化学品,然后再通过分级冷凝将生物油分为化工生物油和燃料生物油,前者用于分离提取高值化学品,后者用于锅炉和窑炉的燃料.引入美拉德反应后,生物质热解液化技术经济性将会得到根本性的改善.     

钾元素对生物质主要组分热解特性的影响

采用热重-红外联用仪对松木及生物质主要化学组分半纤维素、纤维素、木质素的热解特性及钾元素对其热解特性的影响进行了研究.结果表明,半纤维素、纤维素、木质素发生热解的主要温度分别为200~350 ℃、300~365 ℃和200~600 ℃;半纤维热解产物中CO、CO₂较多;纤维素热解产物中LG和醛酮类化合物最多;木质素热解主要形成固体产物,气体中CH₄相对含量较高.三种组分共热解过程中发生相互作用使热解温度提高、固体产物增加,气体中CO增加而CH₄减少.添加K₂CO₃后半纤维素和纤维素热解温度区间向低温方向移动,固体产率提高.K对纤维素作用最明显,CO、CO₂气体与固体产物产率明显增加,醛酮类和酸类物质的产率降低;木质素受K影响相对较小,热解固体产物略有增加,挥发分中H₂O和羰基物质增加;三组分共热解减弱了钾元素的催化作用.     

酸预处理对生物质热裂解规律影响的实验研究

在自制的热裂解机理实验台上进行了不同酸处理对稻壳以及白松的热裂解影响实验研究。经过盐酸浸泡后,稻壳中的金属离子含量明显降低;经盐酸洗涤后的稻壳热裂解焦油产量升高,由原始物料时的41.74%增加到7%盐酸洗涤后的52.88%,而气体和焦炭产量相应降低,并且随着盐酸浓度的增加,对应的趋势更加明显。酸洗涤后稻壳热裂解气体产物主要由CO和CO₂组成,其产量相比原样都有所降低;不同种类的酸对生物质热裂解规律的影响存在差异,盐酸因其去离子效果最好而对生物质热裂解产物分布影响最强;对白松原样以及酸洗后白松的微观结构进行了电镜分析,结果发现,硫酸对白松的微观结构产生了明显的影响。     

抽提物对生物质热裂解机理的影响研究

利用惰性溶剂从生物质中提取得到相应抽提物,在热重红外联用仪上研究了抽提物的热裂解行为,并探讨了其对生物质热裂解的影响。结果表明,因不同种类生物质中木质素结构单元中紫丁香基和愈创木基数量不同,从而导致抽提物成分存在差异,相应的热裂解产物分布也不一致。水曲柳抽提物因含有较多的酚类物质而在热解高温段生成了甲醇和甲烷。相比于原样,抽提残渣反应活化能增加,且主要产物析出时间提前,同时酸类物质和直链烷烃析出量减少,而水、CO2、CO和醛类物质的产量则有所增加。     

生物质微波干燥及其对热解的影响

通过与常规热风干燥方式比较,研究生物质微波干燥过程及其对热解的影响,以探索在生物质快速热解液化工艺中采用微波干燥技术进行原料预处理的可行性。干燥实验表明,微波炉的干燥速率明显大于烘箱（5倍以上）,同时在微波快速干燥过程中,原料内部的孔隙结构得到了改善。热天平上干燥样品的热解表明,微波干燥处理有利于生物质的热解,特别是纤维素和半纤维素的热解,并且能在一定程度上抑制生物油蒸汽的二次裂解反应,从而使实际流化床热解液化装置中的生物油产率有所提高。研究表明,将微波干燥技术用于生物质热解液化的原料预处理过程在技术上和经济上均具有可行性。     

离子液体作用下微波辐照生物质快速热解制备生物质油(英文)

以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯([Bmim]Cl)和1-丁基-3甲基咪唑四氟化硼([Bmim]BF4)为催化剂,在微波加热作用下,研究了稻草和锯屑的热解。微波加热20 min,稻草和锯屑的生物油产率分别为38%和34%。考察了微波加热时间、微波功率和离子液体用量对生物质油产率的影响。当以相同的离子液体为催化剂时,稻草微波热解得到的生物质油产率大于锯屑的。生物油成分主要有糠醛、醋酸和1-羟基-2-丁酮等,其含量主要取决于生物质原料和加入的离子液体的类型。     

催化热解生物质制取富氢气体的研究

在实验室自制的固定床反应器上, 考察了秸秆和锯屑的热解行为, 研究了热解产物分布特别是富氢气体的体积分数和产率, 着重研究了（5种金属氧化物和2种碳酸盐催化剂）的催化效果。结果表明,温度从500 ℃提高到850 ℃, 秸秆和锯屑的热解气产率分别从29.0%提高到40.6%, 35.0％提高到46.5%, 而对应的富氢气体的体积分数分别从41.2％提高到48.2%, 40.6％提高到47.0%；在5种金属氧化物中，Cr2O3显示了最好的催化效果，在750 ℃时对应的热解气产率与不使用催化剂相比提高了10％，富氢气体的体积分数提高了13％；催化剂（CaCO3和Na2CO3）占生物质的质量分数对热解气和富氢气体产率有明显的影响，当质量分数从0增加到30％时， 热解气和富氢气体产率增加较明显，而后其值的增加可以忽略， 因此推荐使用的催化剂质量分数为30％。     

烟草热解残余物中自由基的分析

使用顺磁共振波谱技术研究了烟草热解残余物中自由基的形成及其在环境中的转化。研究结果表明:烟草热解时会在其残余物上形成大量自由基。热解温度较低时(400~500℃)主要形成以O原子为中心的自由基,而热解温度较高(600~700℃)时,主要形成以C原子为中心的自由基。烟草热解残余物与空气接触后,会生成新的以O原子为中心的自由基,从而使自由基数量在短时间(60~120 min)内增加,随后自由基数量和种类趋于稳定,并可长期存在于环境中。     

Low temperature microwave-assisted vs conventional pyrolysis of various biomass feedstocks

A comparison between conventional pyrolysis and a novel developed low-temperature microwave-assisted pyrolysis methodology has been performed for the valorisation of a range of biomass feedstocks including waste residues.Microwave pyrolysis was found to efficiently deliver comparable evolution of bio-gases in the system as compared with conventional pyrolysis at significantly reduced temperatures(120 180 C vs 250 400 C).The gas obtained from microwave-assisted pyrolysis was found to contain CO 2,CH 4 and CO as major components as well as other related chemicals(e.g.acids,aldehydes,alkanes) which were obtained in different proportions depending on the selected feedstock.