生物质焦油与铁矿粉共热解直接还原炼铁研究

摘要

焦油问题一直是制约生物质高值化利用的瓶颈问题。焦油的存在不仅会降低气化效率，造成能量浪费，其在输气管道中冷凝与不完全燃烧还会导致磨损和腐蚀，影响气化系统的安全、稳定运行。在综述国内外生物质焦油脱除及催化剂研究现状的基础上，本文创新性地提出将焦油裂解与铁矿还原相耦合，利用铁氧化物的氧化作用以及还原金属铁的催化作用促进焦油降解转化，同时强化铁矿还原，从而为生物质焦油高值化利用及钢铁行业“绿色炼铁”提供一条新的科学思路。
　　由于生物质焦油成分复杂，本文选取香草醛、萘、邻苯二酚具有代表性组分作为焦油模型化合物，开展焦油降解耦合铁矿还原的实验研究，探讨不同因素（焦油组分、裂解温度、物料配比、铁矿粉粒径）对耦合反应过程的影响规律，明确焦油降解与铁矿还原的最优匹配关系;运用Coats-Redfern积分法对热重实验数据进行线性拟合计算，求得不同反应过程的相关动力学参数。得到以下结论:
　　(1)单因素实验中，提高反应温度，焦油模型化合物转化率以及相应的铁矿还原度均随之逐渐增加;焦油模型化合物与铁矿粉的物料配比在0.6～1.4范围内，改变物料配比，焦油模型化合物转化率及铁矿粉还原度均呈先增加后减少的趋势;选取不同粒径范围的铁矿粉进行实验，结果显示铁矿粉粒径对萘转化率影响显著，而对香草醛与邻苯二酚转化率影响甚微。
　　相同条件对比三种模型化合物的裂解实验，可以得出铁矿粉对三种模型化合物的催化活性大小为萘＞香草醛＞邻苯二酚，三种模型化合物参与反应得到的还原铁产品，其还原度大小为萘＞香草醛＞邻苯二酚。
　　(2)通过正交实验得出焦油模型化合物降解耦合铁矿还原的最佳工况参数。①香草醛:裂解温度900℃，裂解时间40min，铁矿粉粒径＜74μm，物料配比1.2。此实验条件下，香草醛转化率与铁矿粉还原度均达到最大值，分别为70.0％、48.7％。②萘:裂解温度800℃，裂解时间40min，铁矿粉粒径98μm～200μm，物料配比0.8，此条件下萘的转化率为74.9％，铁矿粉还原度37.4％。③邻苯二酚:裂解温度900℃，裂解时间40min，铁矿粉粒径＜74μm，物料配比1.2，此条件下邻苯二酚转化率与铁矿粉还原度均达到最大值分别为39.7％、19.3％。
　　(3)运用Coats-Redfern积分法进行动力学分析，得出相关的反应动力学参数。香草醛、萘、邻苯二酚的反应级数分别为0.8、1.0、0.6。相近温度区间内，三种焦油组分在铁矿粉作用下裂解反应的表观活化能大小为E（邻苯二酚）＞E（香草醛）＞E（萘），说明三种物质催化裂解过程温度敏感度和裂解难度依次降低。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 生物质焦油脱除的研究现状

1．2．1 焦油的净化方法

1．2．2 焦油催化裂化技术的研究现状

1．3 研究内容

1．4 本文创新点

第2章 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 生物质焦油理化特性

2．1．2 铁矿粉理化特性

2．1．3 实验装置与流程

2．2 实验方案与数据处理

2．2．1 实验方案

2．2．2 热重分析

2．2．3 动力学分析

第3章 生物质焦油与铁矿粉共热解实验研究

3．1 裂解温度的影响

3．2 焦油与铁矿粉当量比的影响

3．3 铁矿粉粒径的影响

3．4 正交实验研究

3．5 本章小结

第4章 生物质焦油与铁矿粉共热解动力学研究

4．1 焦油与铁矿粉共热解热重实验

4．2 动力学研究

4．2．1 香草醛与铁矿粉共热解动力学

4．2．2 萘与铁矿粉共热解动力学

4．2．3 邻苯二酚与铁矿粉共热解动力学

4．3 本章小结

第5章 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢