纤维素生物质与废塑料共催化热解制取富烃液体燃料的研究进展

生物质能是国际公认的零碳可再生能源,其高效利用成为缓解能源与环境危机的关键,并对中国实现“碳达峰”和“碳中和”的目标具有重要意义。纤维素生物质与废塑料的共催化热解技术,不仅能制备高附加值的富烃液体燃料,还可达到“以废治废”的目的,进而实现生物质与废塑料的高效资源化利用。本工作从生物质与废塑料高值化利用的角度出发,对生物质和废塑料共催化热解制备富烃液体燃料的研究现状进行了综述,介绍了纤维素生物质和废塑料的基础化学特性差异,论述了废塑料种类、催化剂种类、物料和催化剂比例、催化热解温度等因素对生物质和废塑料共催化热解生物油产率和品质的影响,阐述了生物质和废塑料单独催化热解过程中的化学反应机理,并揭示了共催化热解过程中的协同反应机理,展望了该领域未来的发展方向,为生物质与废塑料的高附加值利用提供参考与思路。

温度对马尾松热解产物产率和特性的影响

马尾松Pinus massoniana是中国重要的速生人工林树种。采用热化学转化法,可制取生物质燃气、生物质炭和生物油等高品质燃料。采用固定床热解反应器,开展了热解温度(400,500,600和700℃)对马尾松慢速热解过程产物产率和基本特性的影响研究。结果表明:随着反应温度的升高,气体产率逐渐增加,炭产率和生物油产率逐渐减少;在700℃时,可燃气的最高热值为12.11 MJ·N^(-1)·m^(-3),气体成分及其体积分数为二氧化碳CO_2(24.00%),一氧化碳CO(25.00%),甲烷CH4(15.50%),氢气H_2(25.50%)和烃类气体CnHm(2≤n≤4)(0.97%);炭的最高低位热值和比表面积分为31.8 MJ·kg^(-1)和536.13 m^2·g^(-1);生物油中乙酸(5.30%),1-羟基-2-丁酮(4.11%),乙酰甲醇(8.46%),苯酚(2.66%)和甲基苯酚(3.87%)的相对含量最高。

生物质气化联产燃气和炭的研究进展

首先对我国的生物质资源储量及其能源应用潜力进行了分析;其次详细介绍了生物质气化联产生物燃气和生物质炭技术的原理、技术路线及其影响因素;最后阐述了适应不同原料形态的多种气化集成系统典型案例,并对生物质气化技术进行了展望。生物质气化联产燃气和炭技术的成功实施对实现我国构建清洁低碳安全高效能源体系,提升可再生能源在国家能源供应中比例,实现“碳达峰”和“碳中和”具有重要意义。

气化温度对生物质气化的可燃气、炭和焦油特性的影响

【目的】生物质气化技术是一种清洁可再生的能源利用技术。研究气化温度对气化产物特性的影响机制,构建气化产物特性的演变规律,对中国实现碳达峰与碳中和目标具有重大意义。【方法】以玉米Zea mays秸秆、棕榈Trachycarpus fortunei壳和马尾松Pinus massoniana等3种农林生物质废弃物为原料,以空气为气化剂,采用自制的微型固定床气化装置,开展3种生物质的气化多联产研究,系统研究了不同气化温度(700、800、900℃)对气化性能的影响,以及对气化三相产物(可燃气、生物质炭与焦油)特性的影响机制。【结果】随着气化温度从700℃增加至900℃,可燃气的质量产率逐渐增加,而生物质炭和焦油的质量产率逐渐减小。较高的气化温度有利于提升可燃气的热值。在3种原料中,马尾松可燃气的热值最高,一氧化碳、氢气和甲烷体积分数分别为40.03%、18.27%和18.29%,低位热值达13.58 MJ·m^(-3)。随着气化温度的增加,生物质炭中的碳元素质量分数增加,氢元素质量分数下降,灰分质量分数大幅增加,其中马尾松炭的热值最高,达29.70 MJ·kg^(-1)。随着气化温度的增加,3种原料的气化液体产物中酸类、醇类、醛酮类、呋喃类化合物相对含量逐渐减小,而芳烃类化合物相对含量大幅增加,其中马尾松的芳烃类化合物相对含量最高,达到61.12%。【结论】气化温度对生物质气化三相产物的产量及特性有显著的影响,选择合适的气化温度对提高生物质可燃气热值及气化效率至关重要。

杨木湿法烘焙预处理耦合金属改性多级孔分子筛催化热解制取轻质芳烃

轻质芳烃是化工领域重要的基础有机原料,生物质催化热解的技术路线可制取生物基的轻质芳烃化学品。首先,采用湿法烘焙预处理,对杨木进行协同脱氧和脱灰改性提质;其次,采用NaOH脱硅预处理和负载活性金属(Zn、Ga和Fe),对微孔HZSM-5进行修饰改性,构建金属改性多级孔HZSM-5催化剂,并将其用于湿法烘焙杨木催化热解,研究烘焙温度、催化剂改性、催化剂与原料质量比和热解温度等参数对轻质芳烃产率的影响。结果表明,随着湿法烘焙温度的升高,杨木的脱氧率和碱/碱土金属脱除率逐渐增加,其中,O、K、Mg、Ca和Na的最大脱除率分别为47.96%、90.99%、86.65%、66.09%和36.29%。与HZSM-5相比,采用NaOH脱硅后的多级孔HZSM-5(Hie-H)及金属改性的多级孔HZSM-5(Ga/Hie-H、Zn/Hie-H和Fe/Hie-H),均促进了轻质芳烃的形成,其中,Zn/Hie-H对杨木湿法烘焙后固体产物催化热解制取轻质芳烃产率最高;在湿法烘焙温度为220℃,Zn/Hie-H与烘焙杨木质量比为3∶1,热解温度为850℃时,轻质芳烃的产率达到最大值,为7.83×107p.a./mg。

烘焙预处理对玉米秸秆气化产物特性的影响

我国生物质资源丰富,是一种清洁可再生的原料,通过生物质气化技术将其转化为可燃气,用于替代燃煤和天然气供热或发电,对我国实现“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标具有重要意义。然而,生物质原料存在含水率高、含氧量高及热值低等缺点,导致气化可燃气存在热值低和焦油含量高的缺陷,使得利用农林废弃生物质“变废为宝”面临较大挑战。选取玉米秸秆为原料,首先采用程序控温管式炉对其进行烘焙预处理,并用元素分析、工业分析、X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪、热重分析仪等仪器对其基本物理化学特性进行分析;其次,采用自制的小型固定床气化炉装置,研究烘焙预处理温度对玉米秸秆气化可燃气、炭和焦油产物产率和特性的影响。研究结果表明,随着烘焙温度的升高,玉米秸秆的O质量分数及挥发分明显降低,C质量分数与固定碳显著增加,使得热值从17.26 MJ/kg增加至25.50 MJ/kg;烘焙温度对气化产物的质量产率和特性也有显著的影响。随着烘焙温度的升高,可燃气的质量产率逐渐下降,H2的体积分数从13.85%大幅增加到22.56%,可燃气的低位热值在烘焙温度为220℃时达到最高值,为9.36 MJ/Nm^(3)。较高的烘焙温度导致气化残炭的质量产率上升,并且气化残炭中的C元素与固定碳增加,而挥发分与灰分减少,热值从22.74 MJ/kg增加至24.52 MJ/kg。较高的烘焙温度使得焦油的质量产率从21.07%大幅下降至12.67%,焦油组分主要由芳烃类、酚类及脂肪烃类组分构成,其中芳烃类物质与酚类物质的质量分数较高,随烘焙温度升高,芳烃类物质的质量分数先增加后减少,而酚类物质质量分数先减少后增加,其他脂肪烃物质质量分数变化规律不明显。因此,烘焙预处理可显著改善玉米秸秆的品质,进而提升气化可燃气的热值,降低焦油含量。

基于下吸式固定床的木片气化试验

樟子松木材是中国一种重要的生物质能源原料,通过气化技术可将其转化为高热值生物燃气,用于内燃机发电。该文研究了下吸式固定床气化系统中当量比(ER)对樟子松木片气化性能的影响,并且对气化副产物炭和焦油的基本特性进行了分析。结果表明,气化最优ER值为0.251,可燃气热值为4.55 MJ/Nm^3,可燃气成分为CO(17.47%,以体积分数计,下同)、H2(14.67%,以体积分数计,下同)、CO_2(12.43%,以体积分数计,下同)、CH_4(2.12%,以体积分数计,下同),可燃气焦油含量为350 mg/Nm3,冷气效率为65.46%,具备较强的气化发电潜力。木炭的低位热值和比表面积分别为28.17 MJ/kg和342 m^2/g,可制备成型炭燃料和高比表面积活性炭。轻质焦油主要成分为酚类(36.75%,以质量分数计,下同)、乙酸(22.14%,以质量分数计,下同)和酮类(13.73%,以质量分数计,下同),可制成植物生长调节剂;重质焦油主要成分为杂环的芳香烃(59.98%,以质量分数计,下同)、1环的轻质芳香烃(4.71%,以质量分数计,下同)和2-3环的轻质多环芳香烃(16.48%,以质量分数计,下同),可制备高附加值芳香烃类化学品。小试规模的木片气化试验研究将为大规模的气化发电工艺和设备提供优化设计参数。

下吸式生物质固定床气化炉研究进展

随着全球能源需求的不断增加和化石能源的日趋枯竭,生物质固定床气化技术作为一种清洁的可再生能源利用技术,引起许多研究者的关注。与上吸式固定床气化炉相比,下吸式具有可燃气焦油含量低、炭转化率高、可燃气热值高、可燃气产品用途广的优点。笔者详细介绍了下吸式生物质固定床气化炉的原理、分类、单段下吸式固定床以及两段下吸式固定床的研究现状,并且在综述的基础上,对下吸式固定床气化炉的应用研究提出了展望。

基于TG-FTIR和Py-GC/MS的生物质三组分快速热解机理研究

利用热重红外联用仪(TG-FTIR)和快速热解-气相色谱/质谱联用仪(Py-GC/MS),对生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)的热解失重规律、动力学和挥发分组分及其含量进行了对比研究。TG/DTG曲线表明,纤维素热解失重区间最窄,峰值处热解失重率最大;半纤维的最易发生降解,存在两个失重区间;而木质素热解过程最缓慢,热解温度范围最广。三维FTIR表明,纤维素热解主要产物为CO_2、醛类、酮类和酸类;半纤维素热解主要产物与纤维素一致,但是CO_2含量比其他几类组分高很多;木质素热解主要产物为CO_2和芳香烃类。Py-GC/MS分析表明,纤维素热解有机组分主要为呋喃类和脱水糖类,呋喃类产物在600℃时达到最大值43.34%,脱水糖类产物在500℃时达到最大值27.78%;半纤维素热解主要产物为酮类和呋喃类,两者含量随着热解温度增加呈逐渐下降趋势;木质素热解主要产物为酚类,总酚含量在热解温度500℃时达到最大值78%,其中愈创木酚型(G-型)酚的含量最高63.43%。

基于热重红外联用和分布活化能模型的樟子松热解机理研究

利用热重红外联用技术(TGA-FTIR)和分布活化能模型(DAEM),通过不同升温速率(5、10、20、30℃/min),对樟子松的热解特性和热解动力学进行研究,并对其热解机理进行探讨。TG/DTG曲线表明,樟子松的热解过程分为干燥、快速热解和炭化3个阶段。FTIR图表明,热解挥发份气体相对含量最多的3类物质是CO2,醛、酮、酸类以及烷烃、醇类和酚类等有机物。随着转化率增加,通过DAEM计算得到的活化能数值波动明显,证明樟子松热解过程发生复杂的化学反应。0.1<转化率(α)<0.3,主要是半纤维素降解,其支链首先降解,然后主链发生断裂;0.3<α<0.7,主要是纤维素降解,首先转化为中间产物活性纤维素,活性纤维素再次降解;0.7<α<0.8,主要是木质素降解,苯丙烷分子相互结合形成网状立体结构以及低反应活性的焦炭的不断生成造成此阶段活化能迅速增加。

基于TGA-FTIR和无模式函数积分法的稻壳热解机理研究

利用热重红外联用技术(TGA-FTIR)和无模式函数积分法,研究了不同升温速率(5、10、20、30℃/min)下,稻壳的热解特性和热解动力学,深入探讨其热解机理。TG和DTG研究表明,稻壳的热解过程分为干燥、快速热解和炭化3个阶段,随着升温速率的增加,TG和DTG曲线向高温一侧移动。稻壳热解气体成分含量最多的是CO2,醛、酮、酸类以及烷烃、醇类和酚类等有机物。通过无模式函数积分法:FWO法和KAS法,计算得到的活化能随着转化率(α)增加数值波动明显,证明稻壳热解过程发生复杂的重叠、平行和连续的化学反应。0.1≤α<0.35,半纤维素的支链首先降解,然后是主链降解。0.35≤α≤0.7,纤维素首先转化为中间产物活性纤维素,然后活性纤维素再次降解。0.7<α≤0.8,主要是木质素降解,生物质中可降解的挥发分减少以及低反应活性的焦炭的不断生成是造成此阶段活化能快速增加的主要原因。总之,生物质三组分化学成分和结构差异造成不同转化率下活化能的差异。

木质素种类和催化剂添加量对热解产物的影响

木质素是一种天然可再生的芳烃类高聚物,可通过催化热解技术制取苯、甲苯和二甲苯(简称"三苯")等高附加值的平台化学品。该文选取4种木质素,分别为磨木木质素(milled wood lignin, MWL)、碱木质素(alkali lignin, AL)、Klason木质素(Klasonlignin,KL)和溶剂型醇解木质素(organosolvethanollignin,OEL),采用热重-红外光谱联用仪(TGA-FTIR)和热解-气质谱联用仪(Py-GC/MS),研究木质素种类和HZSM-5(Si/Al=25)催化剂添加量(1:1、1:2、1:3和1:5)对木质素催化热解产物的影响。结果表明:1)通过催化剂结构表征可知,HZSM-5属于密排六方晶相结构,孔径分布主要以微孔为主,弱酸含量高于强酸,该结构特征易于发生择形催化反应,增加BTX的产率;2)通过木质素的元素分析及其相关结构表征可知,在4种木质素中,MWL的C和H元素含量最高,分别为62.96%和7.24%,MWL的有效氢碳比值最高,达到0.67。AL的O元素含量最高,达到44.25%,并且其高位热值最低仅为19.90MJ/kg,说明AL中含有更多的含氧官能团和β-O-4连接键;3)由TGA-FTIR分析可知,由于MWL的重均分子量(MW)和多分散系数数值较大,其催化降解失质量温度范围最宽,失质量峰数量最多,但是AL残炭率最低,表明AL的热稳定性最差,AL中的挥发份更多的转化为热解气体和液体产物;并且随着催化剂添加量的增加,H2O、CH4、CO2和CO释放量增加;4)由Py-GC/MS分析可知,随着HZSM-5的加入,导致木质素热解过程中含氧的酚类化学组分含量显著降低,酚类中间产物通过脱羟基、脱甲氧基、脱羰基等脱氧反应逐步转化为BTX,表现出优异的择形催化能力。由于MWL的有效氢碳比最高,使得MWL催化热解产生的芳烃产率最高,并且苯、二甲苯及其甲苯的含量在木质素/催化剂添加量分别为1:5、1:3和1:3时达到最大值,其绝对峰面积分别4.51×107、1.26×108和8.58×107。该文研究可为木质素催化热解制取高附加值化学品提供理论指导。

两步进气法和水蒸气对竹材下吸式固定床气化性能的影响

以毛竹加工剩余物为研究对象,采用自制的两步进气下吸式固定床气化炉,在当量比(ER)一定的情况下,研究进气比例(AR,0%和60%)和水蒸气/生物质质量比(ms/mb,0,0.045,0.112,0.153,0.211,0.245和0.305)对气化炉性能(炉内温度分布、原料消耗率和气化强度)和可燃气指标(温度、成分、热值和焦油含量)的影响。结果表明:1)与一步进气法相比,两步进气法(AR为60%时)可显著提高气化炉炉温,并且分别在2个进气位置出现2个温度峰,分别为热解区的606℃和氧化区的856℃,可燃气的温度也增加至377℃; 2)两步进气法可显著提高可燃气的可燃组分含量和热值,降低焦油含量,CO含量、H_2含量和低位热值的最大值分别为17.47%、14.67%和4.54 MJ/Nm^3,焦油含量最低值为55.4 mg/Nm^3; 3)随着m_s/m_b从0.045增加至0.305,气化炉内各反应区的温度逐渐降低,与空气气化剂相比,虽然热值并未增加,但是可燃气中H_2和CO的含量发生变化,导致V(H_2)/V(CO)比例逐渐增加至1.01,有助于应用于合成气的研究。本研究为竹材废弃物的能源化利用提供了新的途径和基础数据。

两步进气下吸式固定床气化系统的设计、调试和运行

开发了一套原料处理量为25 kg/h的两步进气下吸式固定床气化系统,并对两步进气直筒形(stratified)下吸式固定床气化炉的炉型、结构和主体尺寸以及焦油检测系统进行了设计。对鼓风机、引风机、出炭螺旋等关键部件的参数进行了计算。气化炉整体高度为2 683 mm,气化炉有效内径为350 mm,所需引风量和鼓风量都是60 m^3/h。采用木片为原料,通过冷态实验和热态实验对气化系统进行验证,验证了该气化系统完全满足设计和实验需要。通过对比两步进气和一步进气实验结果,发现两步进气法可有效提升炉体温度,显著提高可燃气中可燃气体组分含量和热值,并有效降低可燃气中焦油含量。

浙江农林大学林业工程类专业人才培养体系的构建与实践

当前,中国高等教育发展面临如何进一步优化专业结构、凸显专业特色、适应产业结构发展的新常态,对人才培养提出了新的要求。本文以浙江农林大学林业工程类专业为研究对象,提出"产业链、专业链、学业链"三链融合的教育理念,构建"同轴多芯"林业工程类专业体系,建设"同心多角"的林业工程类专业课程体系,推进"同维多核"的产学研协同培养体系的改革,最终实现学生学业水平、学科专业建设以及高校服务产业能力的显著提升。

新形势下木材科学与工程专业培养方案的制定

随着我国木材加工行业的高速发展,企业对木材科学与工程专业的本科生需求旺盛,特别是掌握木材基本特征、懂技术、会管理的复合型工程技术人才。本文阐述了新形势下浙江农林大学木材科学与工程专业的人才培养方案制订过程,包括培养目标、新专业方向设置、课程体系设置、培养标准确立,以期学生通过该培养方案培养后能快速适应和胜任企业工作,成为本行业的高级应用型人才。

中医药治疗糖尿病肾病的研究进展

糖尿病肾病(diabetic kidney disease,DKD)是糖尿病引起的慢性微血管病变之一,已成为终末期肾脏疾病的主要病因。中医药在改善DKD患者临床症状,减少蛋白尿,保护肾功能及延缓病程进展中优势明显。目前临床上多通过辨证分型论治、分期论治、经方验方、中成药、中医外治法等多种策略治疗DKD,效果显著。近年来,随着中药单药及复方治疗DKD的实验研究大量开展,中医药治疗DKD的效果和机制不断得到证实,为指导临床治疗提供了有力的依据。本文总结了近年来中医药治疗DKD的临床及实验研究进展,以期为DKD的防治提供参考。

高校木工机械课程教学改革

木工机械是木材科学与工程专业的关键课程,针对目前该课程存在的课程内容缺乏难度层次、教学模式和教学方法单一等不足,有必要通过提高教学内容难度层次、采用现代化三维模拟、网络教学、内容驱动教学、分组讨论等新的教学模式和方法提高学生学习的主动性和积极性,提高课堂教学效果。

生物质气化技术的再认识

近现代,生物技术在工业、农业和能源领域得到广泛应用,对世界科技和经济发展起到重大的变革和促进作用。由于化石燃料资源性枯竭问题和环境污染问题,寻找一种清洁、可再生的替代燃料和燃料生产技术已迫在眉睫。生物质气化技术作为一种清洁的可再生能源利用技术得到了快速发展,然而由于气化设备自身不够成熟以及未对气化副产物(生物质炭和生物质提取液)加以有效利用等问题,严重阻碍了生物质气化技术的商业化推广和运行。生物质气化多联产技术是指基于生物质下吸式固定床气化的气、固、液三相产品多联产及其产品分相回收、利用技术。该技术的提出,以及相关核心设备的开发成功与应用,为生物质气化技术的进一步发展提供了新的思路。笔者详细介绍了气化技术发展的历史和困境、生物质气化多联产技术的路线和核心设备以及多联产技术产品的开发和应用情况。

温度对纤维素半纤维素和木质素热解炭理化性能的影响

生物质炭是由生物质在缺氧或无氧的情况下,经高温慢速热解产生的一类难熔的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质,在能源、农业、环境和材料领域有广阔的应用前景。该文以纤维素、半纤维素和木质素为原料,采用程序控温管式炉,在不同的热解温度条件下(250、350、450、550、650、750和850℃)制备生物质三组分炭材料,并利用元素分析仪、量热仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、核磁共振波谱仪(13C NMR)、热重分析仪(TG)和扫描电镜(SEM)等仪器对其物理化学性能进行表征,研究热解温度对生物质三组分炭材料理化性能的影响。结果表明:随着热解温度增加,生物质三组分炭的质量产率和能量产率都呈下降的趋势,纤维素炭、半纤维素炭和木质素炭的质量产率分别从94.23%、63.06%和87.14%减少至17.01%、20.67%和41.40%,能量产率分别从94.23%、55.7%和77.82%减少至58.69%、12.91%和31.09%。随着热解温度增加,生物质三组分炭中C元素的含量逐渐增加,而H元素、O元素、H/C、O/C的含量逐渐减少,尤其在250～450℃范围内下降最为显著。随着热解温度增加,FTIR分析表明-OH、-CH3、-CH2、C=O、C=C、苯环骨架、C-O、C-H等官能团含量显著下降,并且在高温热解时红外曲线几乎变为直线。随着热解温度增加,XRD分析表明生物质三组分炭中的三斜晶系(Iα)和单斜晶系(Iβ)衍射峰的强度逐渐降低,而石墨化微晶碳的002衍射峰和101衍射峰的强度逐渐增加;13CNMR分析表明生物质三组分炭中的烷基碳、含氧烷基碳和羧基碳含量逐渐减少,而芳基碳的含量则显著增加,证明高温有利于类石墨化结构形成。随着热解温度的增加,纤维素炭和半纤维素炭的热失重率逐渐下降,而木质素炭的热失质量率逐渐增加,三组分炭的热失质量峰值往高温一侧移动。随着热解温度的增加,生物质三组分炭的颜色逐渐加深,其中纤维素炭发生皱缩现象,其直径不断减小,半纤维素炭发生熔融和发泡现象,变为薄片状的炭材料,木质素炭的孔结构变得更加发达,并且出现球状的金属结晶体。该文研究结果可为生物质炭的制备和应用提供基础数据。