旋转弧等离子体转化甘油、油脂制合成气研究

摘要

废弃油脂是在餐饮业中产生的不能再食用的油脂，我国每年产生废弃油脂500多万吨，不仅造成严重的环境污染，更容易引发各种社会问题。粗甘油是生物柴油生产过程中产生的最主要的副产物，其产量已严重过剩。目前对废弃油脂和粗甘油的处理工艺面临着诸多问题，因此开发一种绿色高效的新工艺是解决废弃油脂和粗甘油资源化利用难题的关键。热等离子体具有高温、高焓、活性粒子密度大的特点，可将废弃油脂和粗甘油直接转化为合成气，其工艺流程短且无需催化剂，是一种极具发展前景的处理废弃油脂和粗甘油的新方法。本文采用自制的旋转弧等离子体炬/反应器开展转化粗甘油和废弃油脂制合成气的研究，系统考察了操作参数对转化效果的影响，为开发绿色高效的废弃油脂和粗甘油制合成气技术提供必要的依据。
　　以甘油/水混合物作为粗甘油的替代物，考察了输入功率、进料速率、水/甘油质量比和磁感应强度对甘油转化过程的影响。研究结果表明，主要气体产物为CO、H2、 CO2和烃类，其中CO和H2可占气体产物总量的92.17vol％～97.78vol％。随着输入功率的增大或进料速率的减小，H2含量增加而CO2和烃类含量减少，碳转化率可增加至100％，能量转化效率存在最大值64.54％。增加水/甘油质量比后气体产物中H2和CO2含量增加而CO和烃类含量减少，能量转化效率和合成气收率降低，碳转化率不变，H2/CO摩尔比由1.49增加到1.95，可用于后续合成二甲醚。磁感应强度对大豆油转化效果的影响很小，主要起保护阳极的作用。与其它形式的等离子体转化粗甘油相比，本文的碳转化率和合成气收率更高，气化效果更好。经过技术经济性分析，生产H2/CO摩尔比为1.5的合成气，最佳条件为输入功率/进料速率0.21 kW/(g· min-1)，水/甘油质量比0.18。此条件下碳转化率为99.27％，能量转化效率为64.39％，H2/CO摩尔比为1.48，CO和H2的收率为91.06％和82.33％，合成气的成本为1.58元/Nm3。
　　以大豆油作为废弃油脂的替代物，考察了输入功率、水/大豆油质量比、磁感应强度对大豆油转化过程的影响。与甘油转化实验类似，气体产物主要为CO、H2、 CO2和烃类，CO和H2占气体产物总量的89.30vol％～95.08vol％，略低于转化甘油所得合成气。增加输入功率，碳转化率增加到98.53％，能量转化效率在17.86 kW时有最大值72.86％。由于气体产物组成变化较小，H2/CO摩尔比在2.45～2.68之间。水/大豆油质量比主要影响气体产物组成和能量转化效率，对碳转化率的影响很小。增加水/大豆油质量比，CO和H2收率下降，H2/CO摩尔比由2.13增加到2.58，可用于后续合成甲醇或费托合成。磁感应强度对大豆油转化效果的影响很小。生产H2/CO摩尔比为2～2.5的合成气，最佳工艺条件为输入功率/进料速率为0.17 kW/(g· min-1)，水/大豆油质量比为1.38。此条件下碳转化率为86.28％，能量转化效率为72.86％， H2/CO摩尔比为2.56，CO和H2的收率为59.46％和76.93％，合成气成本1.39元/Nm3，低于甘油制合成气。与甘油相比，转化废弃油脂的H2/CO摩尔比、能量转化效率更高而CO收率偏低，合成气的生产成本更低，更适合作为制合成气的原料。

目录

声明

致谢

摘要

符号清单

引言

第1章 文献综述

1．1 合成气制备方法简介

1．1．1 煤制合成气工艺

1．1．2 天然气制合成气工艺

1．1．3 生物质制合成气工艺

1．2 废弃油脂和粗甘油处理工艺

1．2．1 废弃油脂现状及其处理工艺

1．2．2 粗甘油现状及其处理工艺

1．2 等离子体热解生物质制合成气

1．2．1 等离子体简介

1．2．2 等离子体热解固体生物质制合成气

1．2．3 等离子体热解甘油制合成气

1．2．4 等离子体热解废弃油脂制合成气

1．3 论文研究思路

第2章 实验装置和方法

2．1 实验材料与装置

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验装置及流程

2．1．3 实验操作

2．2 数据处理方法

第3章 甘油制合成气的实验研究

3．1 实验结果与讨论

3．1．1 输入功率的影响

3．1．2进料速率的影响

3．1．3 水／甘油质量比的影响

3．1．4 磁感应强度的影响

3．1．5 热力学平衡计算

3．2 技术经济性分析

3．3 小结

第4章 大豆油制合成气的实验研究

4．1 实验结果与讨论

4．1．1 输入功率的影响

4．1．2 水／大豆油质量比的影响

4．1．3 磁感应强度的影响

4．2 技术经济性分析

4．3 甘油与大豆油实验结果对比

4．4 小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 研究工作的创新点

5．3 展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果