生物质在不同氛围下热裂解及其产物特征研究

作     者：张建 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李清波

授予年度：2020年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：生物质 热裂解气 产率 高位热值 能量转换效率 

摘      要：我国生物质资源丰富,每年都会产生大量的农业、林业、畜牧业和生活的废弃生物质。采用热裂解技术可以实现这些生物质能源化高效利用,也是解决秸秆等农林废弃物综合利用的有效途径,还可以缓解化石能源危机、解决环境污染等问题。在低氧（绝氧）和一定温度及升温速率（慢速和快速）下,生物质发生一系列热化学反应最终生成气（热裂解气）、液（木醋液）和固（生物炭）三相产物。慢速热裂解是以固相产物为主,目前生物炭应用具有广泛前景,但是慢速热裂解气相产物中含有挥发性有机污染物,危害人体的健康,其能否有效利用是制约生物炭规模化生产的主要问题。本文选取白松、樟子松、竹柳、银杏叶、梧桐叶、玉米秸秆、水稻秸秆、稻壳、玉米芯和废菌菇棒10种不同生物质原材料,通过控制原材料粒径、热解温度、升温速率和载气流速,研究了惰性（高纯氩气）和低氧两种氛围下慢速热裂解过程中气相产物产率、轻质气体组分（H2、CH4、CO、CO2）含量、高位热值和能量转换效率,并对热裂解气中挥发性有机污染物成分进行检测。研究结果如下:在惰性氛围下:10种生物质随着热裂解温度的升高,固相产率逐渐降低,液相产率变化不大,气相产物产率逐渐升高。10种生物质热裂解气中CH4和CO2含量均随热裂解温度的升高而降低;除废菌菇棒和银杏叶外,其它生物质热裂解气中H2含量均升高;白松、樟子松和稻壳热裂解气中CO含量随热裂解温度的升高而降低,其它生物质热裂解气中CO含量均增大。不同生物质热裂解气的高位热值变化不一,白松、樟子松、银杏叶、梧桐叶和玉米芯这五种生物质热裂解气高位热值均在550℃时达到最大,分别为17.76、15.57、13.08、17.20和17.90 MJ/Nm3。白松、银杏叶和稻壳三种生物质随着升温速率的增加,固相、液相和气相产物产率变化不大。白松、银杏叶和稻壳热裂解气中H2和CH4含量随升温速率的增大而降低,而CO和CO2含量逐渐升高。白松、银杏叶和稻壳的高位热值均随升温速率的增加而降低。随着载气流速的增加,生物质热裂解气中CO2含量逐渐降低,H2、CH4、CO含量逐渐升高,最后趋于平缓。随着原材料粒径的减小,白松气相产物产率逐渐升高,液相和固相产物产率变化不大,白松和稻壳液相和固相产物产率均变化不大。在同一粒径条件下,白松的高位热值大于稻壳的高位热值。在低氧氛围下:10种生物质随着热裂解温度的升高,固相产率均逐渐降低,气相和液相产率则逐渐升高。10种生物质热裂解气中H2和CH4含量均随着热裂解温度的升高而逐渐增大,CO和CO2含量则逐渐降低。10种生物质热裂解气的高位热值均随着热裂解温度的升高而增大,从6.28 MJ/Nm3升高到17.99 MJ/Nm3。10种生物质热裂解气的能量转换效率均随着热裂解温度的升高而增大,在550℃时,只有4.00%-9.22%的能量被保留在热裂解气中,而在750℃时,有8.15%-24.41%的能量保留在热裂解气中。随着升温速率的增加,固相产物逐渐降低,液相产物逐渐升高,气相产物逐渐降低。H2、CH4、CO、CO2含量随着升温速率的增加,变化规律不明显。白松的高位热值随着升温速率的升高而增大,从12.53 MJ/Nm3增大到15.25 MJ/Nm3,但玉米秸秆和稻壳这两种生物质热裂解气的高位热值逐渐降低。白松的气体能量转换效率随着升温速率的升高而增大,由7.91%增大到11.90%;玉米秸秆的气体能量转换效率逐渐降低,由8.12%下降到5.61%;稻壳的气体能量转换效率先增加后减少。采用热脱附-GC/MS全扫描模式对樟子松在650℃下的热裂解气进行定性分析,共测出17种化合物组分,除氮气和二氧化碳外,其余组分分别为有机烃类（烷烃、烯烃、炔烃）、低碳酮类、低碳醛类物质,其中有机烃类为主要成分。