熔盐热裂解农作物秸秆制气体的研究

摘要

生物质是一种清洁的可再生能源，对其开发和利用意义重大。生物质热裂解是一种能实现其能量高效转换的有效途径，而熔盐具有热容大、导热系数高等特性，能实现生物质原料快速均匀地升温，是性能优良的热载体。本文以水稻秸秆作为生物质原料，在ZnCl2-KCl（记为ZK）和Li2CO3-Na2CO3-K2CO3（记为LNK）熔盐体系下，进行了热裂解表观动力学和气体产物逸出特性研究，并在LNK体系中进行了热裂解制取气体产物的试验研究。
　　为研究熔盐作用下水稻秸秆的热裂解特性，在ZK和LNK熔盐体系中分别添加氯化盐或硫酸盐，采用热重分析与傅里叶变换红外光谱联用技术(Thermogravimetric analyzer coupled with Fouriertransform infrared spectrometry, TG-FTIR)研究了水稻秸秆的热裂解过程，并使用Coats-Redfem法计算了热裂解过程的表观动力学参数。结果表明:ZK熔盐能改变特征失重温度及其特征失重速率，降低水稻秸秆热裂解的活化能，抑制CO2、CO、CH4、苯酚、甲苯、甲酸和水等产物的生成;添加氯化盐使活化能进一步降低;添加硫酸盐能促进水稻秸秆热裂解产物的生成和逸出，NiSO4作用尤其明显。LNK熔盐使特征失重温度及其特征失重速率均下降，促进了CO2生成，对CO、CH4、苯酚等产物有不同程度的抑制作用;添加氯化盐同样使热裂解活化能进一步降低;添加氯化盐和硫酸盐均能促进水稻秸秆热裂解产物的生成和逸出。当温度高于550℃时，LNK熔盐促进了Boudouard反应(C+CO2→2CO);添加氯化盐和硫酸盐均能进一步促进该反应的进行，NiCl2和CoCl2作用显著。
　　选择31.1 wt％Li2CO3-32.2wt％Na2CO3-36.7wt％K2CO3为基础熔盐体系，添加不同的氯化盐和硫酸盐，对水稻秸秆进行热裂解试验研究。结果表明:LNK熔盐使气体产率和组分体积含量上升，氯化盐和硫酸盐能进一步促进气体产物的生成，显著影响气体产物组成分布。与纯水稻秸秆热裂解相比，LNK作用下气体产率增加了41.3％，H2体积含量从41.21％提高到77.08％。CuSO4-LNK作用下H2产率最高，为366 mL/g，而CoCl2-LNK作用下H2体积含量最高，达到86.21％。随着盐质比的降低，气体产率先增大后减小，H2和CO体积含量随之下降，而CH4和CO2体积含量逐渐上升。研究为生物质资源的能源化利用提供了一定的理论参考。

目录

声明

摘要

符号简写说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 生物质能概况

1．2．1 生物质能定义

1．2．2 生物质能特征

1．2．3 生物质能资源种类

1．3 研究意义

第二章 文献综述

2．1 生物质热裂解技术研究进展

2．1．1 生物质热裂解技术概述

2．1．2 生物质热裂解影响因素

2．1．3 熔盐热裂解研究现状

2．2 生物质气化的研究进展

2．2．1 生物质气化概述

2．2．2 生物质气化影响因素及研究现状

2．3 生物质裂解动力学研究进展

2．3．1 热裂解表观动力学概述

2．3．2 Coats-Redfern法在生物质热裂解研究中的应用

2．4 研究内容

第三章 基于TG-FTIR联用技术水稻秸秆热裂解规律的研究

3．1 实验原料、仪器、药品及步骤

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验仪器

3．1．3 实验试剂

3．1．4 实验步骤

3．2 水稻秸秆热裂解热重分析

3．2．1 氯化盐和硫酸盐的影响

3．2．2 ZnCl2-KCl体系金属盐的影响

3．2．3 Li2CO3-Na2CO3-K2CO3体系金属盐的影响

3．2．4 升温速率的影响

3．3 水稻秸秆热裂解表观动力学研究

3．3．1 ZnCl2-KCl体系热裂解动力学分析

3．3．2 Li2CO3-Na2CO3-K2CO3体系热裂解动力学分析

3．4 水稻秸秆热裂解产物的FTIR分析

3．4．1 ZnCl2-KCl体系热裂解产物FTIR分析

3．4．2 Li2CO3-Na2CO3-K2CO3体系热裂解产物FTIR分析

3．5 本章小结

第四章 水稻秸秆热裂解制气体的研究

4．1 实验方法

4．1．1 实验装置

4．1．2 实验过程

4．2 热裂解产物分析方法

4．2．1 气体产物组分分析

4．2．2 液体产物组分分析

4．3 结果分析

4．3．1 Li2CO3-Na2CO3-K2CO3体系金属盐对产物产率的影响

4．3．2 Li2CO3-Na2CO3-K2CO3体系金属盐对气体组成分布的影响

4．3．3 盐质比对产物产率的影响

4．3．4 盐质比对气体组成分布的影响

4．3．5 热裂解液体产物的GC-MS分析

4．4 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文