基于气体-液体两相放电技术的生物油加氢精制试验与理论研究

摘要

生物质热解液化技术具备操作工艺简单、反应快、转化率高、成本低等特点，是一种极具发展潜力的生物质能转化利用技术，但其液体产物生物油热值低、热稳定性差，难以推广应用，必需对其提质改性。由于催化加氢可以显著地减少生物油的氧含量，增大生物油的H/C比，使其中的不饱和成分得到饱和，从而使生物油的能量密度、稳定性及挥发性大幅提高，与其他精制方法相比，精制油的品质和收率均相对较高，所以催化加氢被认为是目前最为有效的生物油脱氧精制提质方法，应用前景被人们广泛看好，也成为近几十年来生物油提质研究的焦点。
　　本文针对目前生物油催化加氢精制工艺中存在设备及催化剂成本高、操作工艺复杂、催化剂炭化结焦及工艺过程不能连续等技术问题，提出了采用气体-液体两相放电低温等离子体技术在常压、低温、无催化剂条件下加氢精制生物油的技术方案。为此，基于介质阻挡放电原理，设计了气体-液体两相放电加氢反应器，并对气体-液体两相放电反应器的工作特性进行了研究，利用发射光谱诊断技术，探讨了气体-液体两相放电中电子密度的影响因素及演变规律。在此基础上，利用气体-液体两相放电低温等离子体技术进行了生物油加氢精制提质的试验研究，以FT-IR与GC-MS测试结果为依据，探讨了生物油气体-液体两相放电条件下的加氢化学反应机理。全文主要工作及内容总结如下：
　　（1）气体-液体两相放电反应器的设计与工作特性研究。基于介质阻挡放电原理，设计了气体-液体两相放电加氢精制提质生物油的反应器，考察了液体类型、液体高度、气隙间距、气体流量、工作电压等工作参数对气体-液体两相放电负载特性的影响。研究结果表明，气体-液体两相放电与纯气相放电的负载特性变化趋势相类似。在相同工作电压下，气体-液体两相放电介质等效电容Cd随液体高度、气隙间距的增大而减小，随液体介电常数的增大而增大，随气体流量的增大先增大后减小；气隙等效电容Cg随液体介电常数、气隙间距的增大而减小，随气体流量的增大先增大后减小；放电功率P随液体介电常数的增大而增大，随液体高度、气隙间距、气体流量的增大而减小。
　　（2）气体-液体两相放电体系下氢等离子体发射光谱诊断。采用发射光谱诊断技术结合氢谱线Stark展宽计算方法，详细考察了工作电压、气体流量、液体高度等因素对装置放电发射光谱及电子密度的影响规律。研究结果表明，氢氦混合气-生物油两相界面放电时，氢发射光谱特征谱线Hα强度最高，同时氢发射光谱α特征峰强度和电子密度随工作电压的增加而增加，随气体流量、液体高度的增加而减小。
　　（3）气体-液体两相放电加氢精制提质生物油的试验研究。采用气体-液体两相放电低温等离子体技术，对生物油进行了加氢精制提质的试验研究，系统探究了工作电压、气体流量、反应时间对生物油加氢脱氧率、高位热值的影响规律。研究结果表明，生物油的脱氧率及高位热值，随工作电压、气体流量的增大，均呈现出先增加后减少的趋势，而随反应时间的增加，则呈现先增加后稳定平衡的趋势。并以脱氧率为指标，工作电压、气体流量、反应时间为变量，采用响应面法建立了工艺参数的优化模型，获得了气体-液体两相放电加氢精制提质生物油的优化工艺参数组合。
　　（4）气体-液体两相放电加氢提质生物油化学反应机理。采用FT-IR及GC-MS的技术手段，对比分析生物原油和加氢精制油的成分及组成，研究结果表明，加氢精制后，生物油的醇类、醛类、酮类、酸类、酯类、酚类等含氧化合物含量降低，碳氢类物质明显增加，生物油的高位热值大幅度提升，含氧率下降，理化特性显著改善。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 生物质能源转化利用技术

1.3 生物油提质技术

1.4 生物油催化加氢研究现状

1.5 气体-液体两相放电低温等离子体技术概述及应用现状

1.6 本文的研究内容及意义

第二章 气体-液体两相放电反应器的设计与工作特性研究

2.1 气体-液体两相放电反应器的设计

2.2 气体-液体两相放电负载特性研究

2.3 本章小结

第三章 气体-液体两相放电体系下氢等离子体光谱诊断

3.1 放电发射光谱诊断装置

3.2 等离子发射光谱诊断原理

3.3 试验结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 气体-液体两相放电加氢精制生物油的试验研究

4.1 试验材料及系统

4.2 试验方法

4.3 试验结果分析

4.4 本章小结

第五章 气体-液体两相放电加氢提质生物油成分分析与机理探讨

5. 1生物油成分分析检测方法

5.2 试验结果及分析

5.3 气体-液体两相放电加氢提质生物油机理

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

在校期间发表的学术论文、专利及参加的科研情况说明