棉秆和油页岩共热解生物炭的氨氮吸附性能研究

使用棉秆(CS)和油页岩(OS)为原料,采用共热解的方式制备了共热解生物炭,探究了对氨氮的吸附性能。考察了不同热解时间、CS和OS比例、热解温度、CS的粒径对共热解生物炭的氨氮吸附量的影响规律,确定了最佳制备条件,并研究了吸附动力学和吸附等温线模型。研究表明,棉秆和油页岩共热解后生物炭的结构特性和表面形貌有较大改善,对氨氮的吸附能力有明显的提高。最佳的制备条件是热解温度为500℃、m(棉秆)∶m(油页岩)=3∶1、热解时间为30 min和CS的粒径为0.20~0.30 mm。在投加量为10.0 g/L、pH 9.0时,最佳条件所制备炭的吸附量为4.89 mg/g,是棉秆生物炭的2.2倍。吸附过程以准二级动力学和Langmuir等温吸附模型描述。吸附机制主要包括为离子交换、静电吸附和配位作用。

农林废弃物共热解对污泥生物炭Cu(Ⅱ)吸附性能的影响

将山地城市污泥与水稻杆、水稻壳、桉树枝、桉树叶等农林废弃物进行共热解,研究共热解对生物炭理化性质及Cu(II)吸附性能的影响,探讨共热解对Cu(II)吸附性能的协同作用。结果显示,与污泥炭相比,水稻壳、水稻杆、桉树枝、桉树叶与污泥共热解制备的生物炭,C含量分别增大了0.64倍、0.87倍、1.04倍、1.22倍,O含量分别增大了1.11倍、1.25倍、2.01倍、2.17倍,对Cu(II)最大吸附量分别增大了28.4%,60.3%,82.7%,99.7%。共热解对生物炭Cu(II)吸附性能具有明显的协同作用,污泥与桉树叶共热解炭对Cu(II)最大吸附量的协同量化值最高(90.13%)。

淖毛湖煤和脱碱木质素共热解挥发物组成分布规律

利用固定床反应器开展了淖毛湖煤和脱碱木质素的共热解实验,并研究了共热解产物的组成和产率变化规律。研究结果表明,共热解会降低半焦产率,促进热解气产率的提升,热解气产率最大提升了33.1%,共热解对于CH_4、CO的生成有明显的促进作用;在煤和木质素混合比例为1∶1时,煤和木质素的热解挥发分间交互作用表现最明显,热解焦油产率表现出正协同作用。在共热解过程中,愈创木酚向单酚、双酚转化,相较于理论计算值,单酚、双酚化合物的含量分别增加了2.9%和9.8%,而愈创木酚的含量降低了5.1%;其原因可能是羰基和羧基的断裂与挥发分间的交互作用增强,抑制了醚类、醛类、酸类化合物的生成,促进了酚类的生成、含氧气体的释放与热解焦油的稳定。木质素的引入,显著促进了煤热解焦油轻质化,焦油中轻质组分比例接近90%。

大豆皂脚与玉米秸秆厌氧发酵沼渣共热解特性及应用

将大豆皂脚与玉米秸秆厌氧发酵沼渣两种固体废弃物以不同比例混合后进行共热解,采用元素分析、扫描电子显微镜(SEM)、N_2吸附-脱附法(BET)对得到的共热解炭进行表征,并将共热解炭循环应用到玉米秸秆厌氧发酵环境中,考察共热解炭对厌氧发酵过程的影响。结果表明:共热解炭的产率随着沼渣加入量的增大而增大;沼渣加入量较少时,可以促进共热解气的生成,但对共热解液的产生有较弱的抑制作用;共热解炭的比表面积和平均孔径介于两种单一热解炭之间,并且平均孔径随沼渣加入量的增大呈减小趋势;将大豆皂脚与沼渣的质量比为4∶3下制备的共热解炭加入厌氧发酵系统中,发酵30 d时累积产气量达到390.80 mL/g,累积产甲烷量达到213 mL/g,累积产气量达到总产气量80%所需要的时间t_(80)为(14±1) d,比不添加热解炭的空白组提前了12.5%。

水蒸气辅助煤与生物质回转炉共热解制高热值可燃气特性研究

煤与生物质共热解作为实现这两种含碳资源高效清洁利用的重要技术路径,对实现碳中和目标有重要意义。本文旨在探究水蒸气辅助下,不同条件对煤与生物质共热解制备高值可燃气体(H_(2)、CH_(4)、CO)的影响。在大型回转炉中,探究了褐煤与玉米秸秆共热解及水蒸气辅助共热解温度、掺混比对H_(2)、CH_(4)、CO产气量和热值的影响,并通过Aspen Plus搭建热解模型对其进行验证。实验及仿真结果表明:秸秆与褐煤存在明显的协同效应,无水蒸气时最佳产气条件可燃气热值超过3000 J/L(热解温度600℃,秸秆掺混比80%)。水蒸气条件下,促进了共热解可燃气高热值组分H_(2)、CH_(4)、CO的生成,最佳条件下可燃气热值提升88%达到5639 J/L(热解温度800℃,秸秆掺混比80%)。

微波加热下生活废纸和PE塑料共热解产气特性

以可燃生活垃圾中的主要成分——生活废纸和聚乙烯(polyethylene,PE)塑料为原料,采用微波加热,对纸张/PE共热解中产气释放过程、产气成分和产气率等特性的影响规律进行研究。实验结果表明:在600℃热解终温下,产气成分以CO、CO_(2)为主,约为35%~40%,其次为CH_(4)、H_(2),其他气体含量较低。随着微波功率的增加,热解产气各成分的产量都明显增加,且各产气析出温度及峰值温度向高温方向移动。随着物料中PE的混合比例增加,纸张/PE共热解产气率降低明显,焦油产率则明显增加,表明PE热解产物以焦油为主。在定热解终温的情况下,添加热解碳对热解产气成分的体积分数影响不大,但可有效提高热解产气量。

基于热重-质谱分析的榆木/低阶煤共热解特性研究

为了研究烘焙对共热解行为的影响,以榆木(E)、250℃烘焙后榆木(E_(T250))和低阶煤(L)为原料,利用热重-质谱联用分析仪(TG-MS)进行榆木/低阶煤不同质量比例下(1∶1、1∶3、3∶1)的共热解实验。TG分析结果表明,相比E和E_(T250),L热解需要更高的温度和更长的时间;但当将生物质与低阶煤共热解后,共热解所需的温度和时间都随着生物质质量比的增加而减小;在共热解过程中,E与L的失重特性曲线相互影响,而E_(T250)在热解过程中与L的失重特性基本一致,说明经250℃烘焙后榆木与低阶煤的品质相似。

辣椒秆与LDPE共热解特性及其炭化产物还田适宜性评价

针对中国部分地区农作物秸秆与农膜处理难的问题,利用外加热热解工艺,开展了辣椒秸秆(CS,chili straw)与低密度聚乙烯(LDPE,low density polyethylene)的共热解试验,研究了不同掺混比和热解温度对共热解产物产率、特性及共热解炭还田指标的影响。结果表明,混合样品的分解主要有脱水、挥发分析出、聚合物降解和焦炭形成4个阶段。随着热解温度的升高,共热解炭的产率呈下降趋势,共热解气和共热解油的产率增加;共热解气的LHV(low heat value)处于8.6~14.5 MJ/m^(3)之间,共热解炭的LHV处于19.6~28.5 MJ/kg之间。此外,随着温度升高,共热解炭的挥发分逐渐减少,固定碳和灰分逐渐增加;共热解炭的比表面积处于0.4~2.2 m^(2)/g之间,与温度呈正相关,与掺混比呈负相关,共热解炭的pH值与温度呈正相关,整体处于10.1~12.5之间,掺混比对pH值的影响不明显;共热解炭的PAHs(polycyclic aromatic hydrocarbon)含量及TEQ(toxic equivalent quantity)毒性低于其他研究平均值,只有15%-500℃(LDPE质量分数为15%,在500℃热解)中PAHs总量超过EBC设定的优质级阈值(4 mg/kg)。高温条件下利于PAHs的分解,共热解炭用于还田应适当提高热解温度,为农村秸秆和农膜处理提供参考。

淖毛湖煤和棉秆共热解协同效应分析

煤和生物质共热解过程中,填料方式会显著影响挥发分之间相互作用及产物分布。分析分隔放置(Case 1)、机械混合(Case 2)、煤在棉秆上层(Case 3)和煤在棉秆下层(Case 4)4种填料方式下淖毛湖煤(NMH)和棉秆(CS)共热解产物的分布、组成及性质,并结合分形理论研究共热解半焦的孔隙特征,探究共热解协同效应。结果表明,NMH和CS协同作用因填料方式不同而变化,填料方式对共热解产物分布及性质影响大。用Case 4方式时,共热解焦油产率最高,为15.94%,较理论计算值增加3.89%,正协同效应最显著。此时,CS热解产生的富氢组分及时与NMH热解挥发物发生交互作用,导致H_(2)、CH_(4)和C_(2)~C_(4)产量较理论值降低,共热解焦油产率增加。不同填料方式对共热解焦油中轻油馏分均产生负协同作用。含氧化合物相对含量减少可能是因为共热解过程促进脱氧反应(如脱羧和脱羰基化等),进一步生成脂肪烃,减少含氧官能团发生交联反应;在共热解中,·H自由基与活性含氧基团产生正协同作用,促使焦油中O、N、S原子向固体或气体产物转移。由半焦分形结果可知半焦分形维数D_(1)和D_(2)均在2~3间,说明半焦粗糙度和孔结构均满足分形结构基本特征。对于Case 3和Case 4方式,位于下层样品半焦的表面更粗糙。用Case 3方式所得CS-C孔隙更小;而Case 4方式所得NMH-C孔隙更不均匀,孔结构更复杂。

TG-FTIR研究煤油共热解产物逸出行为

煤油共液化过程中煤与重油先发生共热解,而后加氢转化为小分子产品。因此,阐明重油对煤热解逸出产物的影响规律是调控共液化产物组成的重要热化学基础。本研究采用TG-FTIR对比研究塔河渣油(AR)和淖毛湖煤(NMH)单独热解及其共热解过程,结合热解活化能计算,探索共热解过程中塔河渣油(AR)对淖毛湖煤(NMH)热解产物逸出产物的影响。结果表明,单独热解时AR先于NMH发生热解反应。两者1∶1(质量比)混合共热解时,相比于单独热解计算的理论值,最大失重峰温度前移7℃,失重率增加约3%,共热解平均活化能降低23.6 kJ/mol,表明AR率先热解会诱发NMH热解,降低热解反应能垒。TG-FTIR结果显示,AR产生的烷烃类自由基会与NMH热解产生的含氧自由基结合,形成醇、醚等烷基类含氧有机化合物,从而抑制煤中羧基转化为CO_(2)的过程。研究结果有助于揭示共液化反应过程中重油对煤液化产物组成的影响。

生物质与聚丙烯共热解特性研究

为深入认识生物质与废塑料共热解过程中的相互作用,通过热重分析仪和固定床反应器研究了杨木单独热解特性以及聚丙烯添加量对杨木和聚丙烯共热解产物分布和产品组成的影响。结果表明:500℃为杨木单独热解时获得焦油产物的最佳温度,最高焦油产率为31.2%;在低温段(小于380℃),杨木和聚丙烯共热解的最大失重速率实验值略大于理论值,在高温段(大于430℃),共热解DTG曲线的峰值温度向高温区偏移;共热解对气体产物的生成起到了正协同作用,提高了气体产物的低位热值,对焦油的生成起到了负协同作用,但共热解使焦油中的酚类、酸类、酮类、呋喃类等含氧化合物的含量降低,烯烃类化合物的含量显著提高;此外,共热解使半焦的石墨化程度提高。

含油污泥共热解的研究进展

对含油污泥共热解现状进行了概述,包括与生物质、煤、生活废弃物等进行共热解,对共热解的影响因素以及共热解残渣应用现状等方面的总结,明确了在共热解过程中,含油污泥与不同添加剂共热解的协同作用机制以及共热解残渣的应用是今后的重点研究方向,以期为含油污泥共热解技术开发及共热解残渣的资源化利用提供合理、可行的路径。

聚丙烯及聚苯乙烯催化共热解的产物分布规律

将聚丙烯与聚苯乙烯等质量混合物在小型固定流化床内进行催化共热解,选用废FCC催化剂,分析了温度、催化剂比例、载气流速(停留时间)对热解产物分布及组成的影响。在480~560℃下进行实验,将水蒸气作为载气,催化剂与反应物的比例为2:6、载气流速为0.5~2.0 mL水/min。液体与气体产物组成分别采用气相色谱质谱联用(GC⁃MS)及气相色谱(GC)进行分析。结果表明,催化共热解产物主要由油、气及积碳组成,三者的最高收率分别为75.65%、15.77%及5.55%。温度与催化剂比例的提高促进了裂解反应的发生,而随着停留时间的增加,发生二次反应数量增加,例如聚合、环化及异构化等。共热解油以芳烃为主,收率可达到69.16%,烷烃及烯烃含量较低,热解气以C_(1)~C_(4)为主,其中,与烷烃相比,烯烃总收率较高,可达到62.87%。在所有气态烃中,丙烯的含量最大,其值为37.83%。

三聚氰胺对子长煤共热解焦油产物分布的影响

为了探究含氮物与煤共热解是否能够产生富氮焦油,将三聚氰胺与子长煤进行共热解,通过热重筛选合适的热裂解温度,在优化条件下,采用固定床制备并富集焦油,通过GC/MS、1D NMR及2D NMR研究煤焦油产物分布及质量分数变化规律。结果表明,共热解焦油中含氮化合物由6%增至23%,增加约3倍;酚类物质由17%降至10%;稠环芳烃由22%降至12%。推测煤与三聚氰胺在共热解过程中存在着一定的协同作用,N元素通过热解过程中的自由基交换进入焦油产物,三聚氰胺的引入使多环芳烃质量分数下降,产生的氮自由基通过取代或环化反应生成了含氮化合物或胺类,间接减少了单环、稠环芳烃的缩聚,在一定程度上实现了富氮焦油的定向调控,为煤炭资源的高值化利用提供了参考。

煤与生物质共热解协同效应的研究现状

总结了我国低阶煤和生物质资源的利用现状,阐述了煤与生物质共热解的协同效应机理,系统对煤与生物质共热解过程中升温速率、热解温度、生物质种类、混合比例、反应器类型、载气流量及热解气氛对协同效应的影响进行了归纳,并分析展望了煤与生物质共热解技术的发展方向和协同效应的研究方向。煤与生物质共热解可将两者单独热解的优点结合起来,在热解过程中发挥协同效应以提高热解产物的产率和品质。也可缓解低阶煤和生物质大量燃烧污染环境、能源利用率低等问题。因此国内外诸多学者从不同角度、采用不同方法探究共热解协同效应机理以及不同因素对协同效应的影响,以助力低阶煤的清洁利用和生物质资源的高效利用。

低阶煤与聚丙烯共热解协同效应分析

新疆地区煤炭储量丰富,低阶煤占比较高。其中,哈密地区的煤炭普遍具有挥发分高的特点,适宜通过热解提取其中的油气组分。然而热解焦油存在重质组分含量高、黏度大、易带尘等问题,因此如何降低焦油中重质组分含量,提升焦油品质是实现其高值化利用的关键。塑料与煤具有相似的热解温区,且塑料的H/C原子比远高于煤,其在热解过程中产生的富氢组分可促进煤的一次热解反应或抑制煤热解过程中的交联现象。煤与塑料共热解过程中,挥发物之间存在相互作用,其机制与二者接触方式密切相关。通过TG、TG-MS和TG-FTIR-GC/MS探究聚丙烯(PP)和淖毛湖煤(NMH)共热解过程中相互作用。TG-MS结果显示二者快速分解阶段主要热解温度区间基本重合,PP热解过程生成·CH_(3)。PP置于NMH上方时,二者质量比显著影响NMH热失重行为和挥发物释出规律,当NMH、PP_(exp)质量比为8:2时,正协同效应最明显。TG-FTIR-GC/MS结果显示,8NMH-2PP_(exp)热解过程中,PP热解自由基促进NMH化学键断裂,形成的相互作用改变氧的释放形式,CO和H_(2)O增加,CO_(2)减少。烯烃及醇类物质相对含量分别比理论计算值高30.58%和16.18%,CO_(2)和烷烃类分别低8.89%和14.43%。Flynne-Walle-Ozawa计算结果表明,共热解平均活化能比理论计算值低6.8 kJ/mol,与PP促进NMH挥发物的释放印证。

生物质与塑料催化共热解制芳烃研究进展

芳烃是多用途的化学品,主要来源于石油和煤焦油等。以生物质和塑料为原料制取芳烃,可以缓解能源短缺和环境污染,实现生物质和塑料的资源化利用。催化剂能够增强共热解的协同效应,生物质与塑料进行催化共热解可以提高产物品质,改善热解产物分布,提高轻质芳烃的产率和选择性,抑制焦炭的生成。本文综述了生物质与塑料催化共热解制取芳烃的协同热解机理及影响因素,总结了不同种类催化剂的共热解研究进展,以期为生物质与塑料催化共热解定向调控制备芳烃工艺的改进和优化提供参考。

煤-生物质共热解非催化协同效应特征及机理研究进展

对近年来煤-生物质共热解研究中判定是否发生协同效应及协同效应发生强度的4个指标,即温度范围、热重曲线、表观活化能及热解产物的产率及组成进行总结,并概括包括内在因素和外在因素在内的多种影响因素对煤-生物质共热解非催化协同效应的影响,对煤-生物质共热解非催化协同效应反应机理方面的研究进展和成果进行简要评述。最后提出未来煤-生物质共热解非催化协同效应特征和机理研究中可能面临的挑战。

基于ReaxFF MD模拟的生物质三组分共热解气相产物析出特性研究

生物质能的有效利用是实现“双碳”战略目标的重要途径。近年来,生物热解技术是研究热点之一,从分子尺度上理解热解过程和产物析出特性具有重要意义。基于反应分子动力学(ReaxFF MD)模拟结合热重(TG)分析和微型热解实验,研究了生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)的共热解行为和气相产物析出特性。结果表明:ReaxFF MD模拟得到的三组分单独热解及共热解过程的热失重特性与TG实验结果基本吻合;基于一级反应动力学模型,共热解的活化能实际值比线性叠加的理论值降低约14.67%,表明共热解对化学键的断裂具有正向协同效应;在三组分共热解过程中,低温下析出气体主要为水蒸气(H_(2)O)、二氧化碳(CO_(2))、甲酸乙酯(C_(3)H_(6)O_(2))和呋喃(C_(4)H_(4)O),来自纤维素和半纤维素的热解,而在高温下,主要析出气体变为甲烷(CH_(4))、一氧化碳(CO)和氢气(H_(2)),源自木质素热解;纤维素和半纤维素单独热解时,无机气体按产率由大到小排序为:H_(2)O,CO_(2),CO,H_(2),对于木质素热解,无机气体按产率排序则变为:H_(2)O,CO,CO_(2),H_(2),三组分共热解时无机气体产率排序与纤维素和半纤维素热解时无机气体产率排序一致;纤维素和半纤维素可分别促进木质素热解产生CH_(4),三组分共热解则促进乙酸(C_(2)H_(4)O_(2))裂解和甲醛(CH_(2)O)生成。

废弃PE与PET共热解特性与动力学特性研究

使用废弃农夫山泉550 mL矿泉水瓶的瓶盖(PE)与瓶身(PET)作为原料。采用实验室规模固定床反应器和热重分析仪进行热解实验,探究废塑料PE与PET共热解的协同效应,并在失重阶段尺度上研究共热解反应的动力学特性。结果表明,PE与PET共热解可以促进热解油的生成,提升热解油中碳氢化合物的选择性;当PE与PET掺混比例为2∶1时,热解油产率最高为84.72%;热解温度的升高促进“双烯合成”与芳构化等二次反应的发生,生成更多的芳烃类产物;PE与PET共热解过程中两个失重阶段的平均表观活化能分别为191.05 kJ/mol和215.22 kJ/mol,反应机理分别符合反应阶数机理函数模型和收缩体函数机理模型。