双碳时代下多源生物质热化学转化资源化利用研究进展

生物质是唯一的可再生碳资源,具有来源广泛、储量丰富等显著优势,利用先进的生物质热化学转化技术,可获得多种高值燃料、化学品和碳基材料,进而实现对化石资源的部分替代,在新能源领域具有重要的战略地位和发展前景。尽管生物质能源化利用技术已取得长足发展,但伴随社会与科技飞速进步,生物质的范畴已不再局限于传统农林废弃物,而是涵盖了农林源、工业源和生活源等多种来源的有机废弃物。复杂组成结构和差异化热分解特性为生物质的高选择性和大规模转化带来严重阻碍,如何实现其高值资源化利用仍面临诸多挑战。论述了生物质热化学转化技术发展现状,从多源生物质组成与热分解特性出发,针对热转化产物品质低和选择性差等问题,对比分析了当前选择性热解制备高值产物、热解重整制氢、新型气化等多种前沿资源化利用技术的最新研究成果与发展趋势。然而,要推动双碳时代下多源生物质热化学转化技术的进一步发展,仍需重点关注以下方面。首先,规模化利用是未来发展的必然趋势,开发高效的催化工艺与反应装备至关重要。通过突破催化剂效率瓶颈与循环再生技术,降低催化运行成本,同时研发新型热转化反应设备,优化传热与抗结焦性能,实现目标产物的定向富集,配合高效的原料收储运策略,从全流程提升生物质热化学转化工业化生产经济性。其次,全组分转化是实现生物质高值利用的关键。通过深入研究生物质不同特征组分分解机理和协同转化机制,开发耦合多重预处理、定向热转化和精准分离冷凝等技术,将生物质原料转化为富含高值化学品的生物油、高品质可燃气和高性能炭材料,实现热解多联产综合利用,有效提高技术资源产出率。最后,多能互补也是未来重要发展方向。通过将生物质与其他清洁能源与电力进行有效整合,充分发挥生物质热分解产物的长周期化学储能特性,构建灵活的多能互补供应体系,实现新能源产业的多维发展与经济效益提升。

基于互信息参数优化BP神经网络的生物质发电量预测研究

生物质直燃发电是目前应用最广、规模最大的生物质能利用方式。然而由于生物质种类繁多、理化性质多变、燃烧不稳定,使得发电量难以准确预计,这为电网调度、安全运行带来隐患。为此,提出一种基于互信息参数优化BP神经网络的生物质发电量预测模型。从生物质电厂收集发电量以及物料参数、锅炉参数、汽机参数、环境参数等实际生产数据,采用平均影响值分析、相关分析和互信息分析对发电量的影响因素进行优化选择,并利用电厂实际数据建立BP神经网络模型。测试结果表明,采用优化影响因素建立的神经网络模型预测误差大幅度降低,其中互信息分析优化效果最佳,平均预测误差从未优化模型的4.59%降至0.66%,且进一步优化神经网络参数后,平均预测误差降至0.50%。

纤维素与草酸的慢速和快速共热解反应特性研究

本研究利用热重-傅里叶变换红外光谱和卧式固定床热解反应装置,探究了纤维素与草酸的慢速和快速共热解反应特性。慢速共热解的失重曲线包括草酸分解和纤维素分解两个阶段,由于草酸与纤维素分解不同步,草酸主要通过其分解形成的挥发分影响纤维素的分解,且影响并不明显。而在快速共热解中,草酸与纤维素同步热解,原料及挥发分之间有着充分的交互反应,因此,草酸对纤维素的三相热解产物具有显著影响。相比于纤维素单独快速热解,快速共热解形成的生物油中左旋葡聚糖、左旋葡萄糖酮含量减少,1,4∶3,6-二脱水-α-D-吡喃葡萄糖含量显著提高;热解气中CO减少,CO_(2)增多;此外,纤维素分解更为彻底,热解炭具有更高的芳香化程度。

Ni/γ-Al_(2)O_(3)催化富氢生物质热解气蒸汽重整制氢实验研究

本实验对比研究了富氢生物质热解气和甲烷(CH_(4))蒸汽重整,探讨了富氢生物质热解气组分对CH_(4)等低烃重整反应的影响机理,并揭示了Ni/γ-Al_(2)O_(3)催化剂在富氢热解气蒸汽重整反应中的作用机制。H_(2)通过提供还原气氛使得催化剂表面高活性Ni~0维持动态平衡,从而提高其催化活性;同时,生物质热解气对过渡碳向石墨碳的转化产生抑制作用,降低了积炭对Ni/γ-Al_(2)O_(3)催化活性的影响。其次,考察了反应温度、水碳比(S/C)、空速等操作条件对富氢热解气蒸汽重整反应的影响规律。反应温度和S/C的提高有效促进了CH_(4)蒸汽重整反应,同时抑制了积炭的产生;随着反应空速的提高,CH_(4)蒸汽重整反应的竞争性减弱,水煤气变换反应、CH_(4)干重整反应的竞争性逐渐增加,使得CH_(4)转化受到抑制。本实验为生物质热解气蒸汽重整反应机理研究及高效催化剂开发奠定了基础。

牛粪与玉米秸秆沼渣混合堆肥及其对环境影响研究

为实现秸秆沼渣和畜禽粪便的高值化利用,研究牛粪与玉米秸秆沼渣混合堆肥的效果,并利用生命周期法分析混合堆肥的环境效益。对不同混合比例以及堆肥时间下堆体含水率、pH值、总碳、总氮、挥发性固体含量和电导率的分析结果发现,混合比例对堆体特性有显著影响,随着牛粪和玉米秸秆沼渣比例由2∶1增加到6∶1,堆体含水率明显增加,但是当比例超过4∶1时,混合堆肥对堆体含水率的影响逐渐降低。添加秸秆沼渣对堆体初期pH值的变化影响很大,且变化规律不明显,但是当发酵时间超过40天时,堆体的pH呈明显的降低趋势;增加牛粪的比例,有助于提高堆体腐熟后的pH值,随着牛粪添加比例由2∶1增加到6∶1,堆体的pH值由8.2提高到8.4,60天腐熟后堆体的总碳含量由35.34%增加到36.81%,挥发性固体的含量显著降低,由46.96%降低到37.66%,电导率由8.3 ms/cm增加到9.4 ms/cm。同时,牛粪和沼渣混合堆肥相较于直接排放显著降低堆肥底物中CO_(2)、CH_(4)、N_(2)O、NO_(X)、NH_(3)、SO_(2)、PO_(4)^(3-)等污染物的排放,表明混合堆肥对环境更加友好。

我国市政污泥处理处置现状研究

随着我国生态文明建设进程日益加快,污泥处理处置行业也得到快速发展。我国市政污泥处理处置技术呈现多样化发展趋势,焚烧、厌氧发酵、好氧堆肥、热解炭化等方式尤为常见。统计分析了国内385个典型污泥处理处置项目的处理规模、各技术占比、投资、运行成本等指标,并针对各污泥处理工艺碳排放情况进行综述,以期为未来污泥处理处置技术发展方向提供一定参考。数据显示,截至2022年3月,我国污泥项目建设总规模达4851.4万t/a,污泥无害化理论处置率达73.5%。污泥处理处置项目以焚烧、厌氧消化、好氧堆肥为主,分别占比65.41%、15.55%、9.61%。对污泥碳排放水平、处理成本、能源回收效率、资源化利用水平等因素的综合分析表明,污泥厌氧消化是当前较具潜力的处理技术。

“双碳”背景下市政污泥热解资源化利用研究进展

随着我国对污泥处理的环保要求越来越严格,热解作为一种新兴的污泥无害化资源化处理技术,得到了越来越多的关注。本文分析了我国市政污泥的基本特性,总结了国内外市政污泥热解技术的研究进展,阐述了污泥热解技术的基本原理及主要影响因素、热解产物特性和资源化利用途径,并对比分析了不同类型的污泥热解装置,指出了污泥热解资源化利用的进一步发展方向,以期为我国市政污泥高值资源化处置提供参考和思路。

PVC和木质纤维素共热解及Cl释放特性研究

生活干垃圾的主要有机组分为聚氯乙烯(PVC)等多聚类废弃物和木质纤维素,为了阐明其热解特性和Cl的迁移规律,本实验研究了PVC与木质纤维三组分(纤维素、半纤维素和木质素)共热解过程的相互作用及氯化物释放特性。结果表明,在脱氯化氢阶段,PVC与三组分之间存在正协同作用,PVC能够加速三组分的热解;共热解过程中Cl主要以HCl和CH_(3)Cl的形态释放,其次是氯苯。纤维素与PVC共热解过程中,HCl作为酸性催化剂促进生成了更多的芳香烃。纤维素与PVC共热解过程中,HCl作为酸性催化剂促进生成了更多的芳香烃;PVC与半纤维素共热解时,半纤维素生成的乙酸降低了HCl释放的起始温度,25–30℃;与纤维素和半纤维素相比,木质素对HCl释放的抑制作用最大。木质素增强了PVC化学键C-Cl断裂,减少HCl但促进了CH_(3)Cl释放。三组分促进了PVC的热裂解反应,降低了脱氯化氢阶段的反应活化能,混合物热解平均活化能比纯PVC分别降低了25.88%–48.73%,36.46%–43.73%,44.88%–72.83%。

合成气/CO_(2)火焰传播过程中辐射再吸收的影响

针对生物质制取合成气燃料制备和应用过程中CO_(2)掺混的影响,对合成气/空气/CO_(2)预混火焰中开展数值模拟,通过不同的辐射模型研究辐射再吸收对火焰传播速度的影响。结果表明,辐射再吸收提高了火焰传播速度,最大提升幅度可达11.15%。随当量比增加,辐射再吸收对火焰传播速度的提升幅度从11.15%减小至3.12%,受预热导致的化学效应控制。H自由基在贫燃工况占据主导地位,辐射再吸收通过反应H+O_(2)==O+OH影响火焰传播速度;而富燃工况下,与OH自由基相关的反应H+OH+M=H_(2)O+M是辐射再吸收影响火焰传播速度的主导反应。

β-5型木质素二聚体热解机理模拟计算

木质素是由苯基丙烷结构通过C—O键和C—C键连接而成的复杂三维网状无定形高聚物,热解是木质素的重要利用方式,探究木质素热解过程中连接键的断裂机理对于开发高效热解技术至关重要。利用密度泛函理论方法,针对典型的β-5连接木质素二聚体模型化合物,探究其热解过程及取代基的影响。计算结果表明,苯环之间五元环的开环反应是最可能发生的初步反应,其中Cα—O键和Cα—Cβ键的键解离能(BDEs)分别为163.9 kJ/mol和212.9 kJ/mol,是最主要的断键开环反应。通过对比甲基、甲氧基、羟基、正丙基等支链对β-5连接键的断裂的影响,发现当两个苯环和β-5连接五元环上分别连接羟基、丙基、羟甲基取代基时,Cα—O键和Cα—Cβ键的BDEs最低。对于不同取代基类型和位点来说,Cα—O键均裂始终是最容易发生的初始反应,而Cα—O键和Cα—Cβ键连续断裂的路径是β-5连接五元环断裂的主要途径。

煤热解过程中噻吩类硫化物迁移转化机理研究进展

噻吩类硫化物是煤中有机硫的重要赋存形式,在煤热解过程中,噻吩类硫化物会迁移至热解产物中进而影响产物品质或引发环境污染,因此明晰煤热解过程中噻吩类硫化物的迁移转化特性与机理对煤炭高效清洁利用以及国家双碳目标实现具有重要意义。归纳了噻吩类硫化物在煤中的赋存和热解过程中的析出特性,噻吩类硫化物含量随着煤阶升高而增多,热解过程中的噻吩类硫化物主要来源于煤中大分子结构热裂解释放,部分来源于无机硫和硫醚、硫醇等有机硫的转化。概述了噻吩类硫化物热解特性与反应机理的相关实验和计算研究结果,噻吩类硫化物的分解主要由C—S键均裂和氢迁移引发,裂解产生多种含硫自由基中间体进而生成H_(2)S,SO_(2),CO_(2)S和CS等含硫气体,其他含硫基团相互聚合或与芳香环结合形成多环含硫芳烃迁移到焦油和焦炭中。总结了多种热解条件对噻吩类硫化物热解的影响,热解温度升高能促进噻吩类硫化物分解,升温速率越慢噻吩类硫化物的脱除越彻底;H_(2)、水蒸气以及CO_(2)气氛都对噻吩类硫化物的分解有促进作用,其中H_(2)和水蒸气能够通过提供氢自由基攻击噻吩环上的硫原子,或与不饱和的■键发生加成反应促进噻吩类硫化物热解;CO_(2)的氧化性会降低C—S键断裂难度,促进噻吩类硫化物形成更多的SCO_(2),CHO和R—O自由基,从而促进气相含硫产物的生成;煤中的高岭土能促进噻吩类硫化物的释放,钙质矿物则会与其反应向CaS转化;不同性质的添加剂能作为反应物或催化剂影响噻吩类硫化物的热解反应。基于噻吩类硫化物的迁移机理,对煤热解过程的调控应从两方面入手,一方面定向促进氢迁移反应和C—S键断裂以促进噻吩类硫化物分解;另一方面提供热解环境缺少的氢自由基和含氧基团抑制多环含硫芳烃化合物生成。未来还需在噻吩类硫化物向液相和固相迁移的反应机理、反应器型等多因素耦合作用下的噻吩类硫化物热解调控机制等方面开展深入研究。

生物质基掺氮多孔炭材料研究进展

掺氮多孔炭材料因其发达的孔结构、丰富的官能团以及良好的稳定性等特点,应用广泛。生物质来源广且价格低廉,以其为原料制备掺氮多孔炭材料是当前研究的热点。针对不同生物质制备生物基掺氮多孔炭材料的工艺及关键影响因素进行综述,分析了氮的赋存形态及形成机理,介绍了其在储能、催化、吸附等领域的应用,并对未来的研究方向进行了展望。

锅炉受热面壁温分布直接监测实验研究

为准确测量火焰覆盖下的锅炉受热面表面温度,采用彩色电荷耦合器件(CCD)相机和红外热像仪同时拍摄火焰图像,获取火焰在0.38~0.78μm和3.95μm两个谱段的边界辐射强度信息,并结合DRESOR法解耦求解探测器接收到的火焰辐射和壁面辐射份额,从3.95μm谱段辐射检测信息中滤除火焰辐射,反演测量锅炉受热面壁温分布.在一台330 MW煤粉锅炉上开展了实验验证,分别测量了水冷壁和屏式过热器的向火侧温度,与热电偶测量结果相比最大偏差为4.1%.在炉膛水冷壁区域靠近侧墙1~2 m的火焰厚度上,利用3.95μm中波探测器能够避开火焰辐射获得受热面图像.研究不仅对辐射测温技术的发展形成补充,还为锅炉受热面结渣沾污监测提供重要参考.

聚氯乙烯/松木粉低温共热解脱氯提质特性

掌握聚氯乙烯(PVC)和木质纤维素类生物质共热解过程中脱氯提质特性,对开发生活垃圾脱氯预处理技术和实现其无害化具有重要意义。研究了PVC与松木粉(WP)在低温(200~450℃)共热解过程的提质和Cl的迁移转化特性。结果表明,在热解温度为300~350℃时,PVC和WP混合物的脱氯效率可以达到98%以上,对应的能量回收率约为76%。在300℃热解温度下停留15min,超过90%的Cl以HCl形式释放,且HCl释放量随着热解温度升高和停留时间的延长而增加。热解焦油中氯的含量很低,仅为1.80%~3.04%。低温共热解过程中,WP中木质素产生的酚羟基可以促进氯的取代反应,提高脱氯效率。

松木炭与无烟煤掺混燃烧特性

分别以松木炭和烟煤替代部分无烟煤进行掺混对比燃烧实验,并基于彩色图像测温法分析其燃烧温度、燃烧速率等特性。首先,对比烟煤和松木炭在相同掺混比下混合燃料颗粒挥发分和焦炭燃烧时间的特征;其次,对比不同松木炭掺混比下混合燃料颗粒不同阶段的最高温度;第三,分别研究不同松木炭掺混比下混合燃料颗粒燃烧过程中平均温度随时间的变化情况。研究结果表明:在相同掺混比下,掺混松木炭的混合燃料,整体燃烧速率更高,且松木炭掺混比为50%时,整体燃烧时间最低,为289 s。当松木炭的掺混比例为30%、50%和70%时,混合燃料在挥发分燃烧阶段的最高温度分别为1 263、1 252和1 236 K,这表明增加松木炭掺混比会降低混合燃料燃烧温度。当松木炭掺混比为30%时,混合燃料稳定燃烧时的平均温度为1 210 K;当松木炭掺混比为70%时,混合燃料在53 s的平均温度为1 151 K,在90 s后平均温度迅速增大至1 248 K。混合燃料中松木炭对无烟煤存在夺氧抑燃和协同促燃2种影响,且当松木炭掺混比为30%时,平均温度最高,且燃烧稳定,其为最佳掺混比。

碱土金属离子Ca^(2+)和Mg^(2+)催化木质素二聚体热解过程的机理研究

本研究采用密度泛函理论方法,对碱土金属离子(Ca^(2+)、Mg^(2+))作用下的β-O-4型木质素二聚体模型化合物(2-[2-(4-甲氧基苯基)乙氧基]-苯甲醚,mc)的热解反应路径进行了理论计算。计算结果表明,Ca^(2+)和Mg^(2+)会与木质素二聚体模型化合物mc的Cβ位氧原子及甲氧基上的氧原子结合形成稳定的复合物,从而影响C_(α)−C_(β)和Cβ−O的键长和热解反应能垒。在热解过程中,Ca^(2+)和Mg^(2+)会促进协同断裂反应的发生,从而促进产物1-甲氧基-4-乙烯基苯、2-甲氧基苯酚和邻苯二酚的生成;抑制C_(α)−C_(β)键和Cβ−O键的均裂反应,从而抑制产物1-乙基-4-甲氧基苯、2-羟基苯甲醛的生成。

基于9,10-二氢蒽强化的掺氮活性炭催化松木热解制备烷氧基酚研究

本研究以核桃壳基掺氮活性炭(NAC)为催化剂、以9,10-二氢蒽(DHA)为供氢剂,开展了松木选择性热解制备烷氧基酚研究,探究了氨水质量分数对NAC理化性能的影响,揭示了DHA/松木比、热解温度、NAC/松木比对烷氧基酚生成的调控机制。结果表明,合适的氨水质量分数能够改善NAC孔隙结构及活性位点分布,当氨水质量分数为15%时,所制备NAC对烷氧基酚的生成促进效果最佳;当DHA/松木比为1、热解温度为550℃、NAC/松木比为3时,烷氧基酚产率最大,为5.27%,明显高于纯松木直接催化热解时烷氧基酚产率(1.74%)。

乙烯/空气层流扩散火焰中碳烟对N_(2)O生成的影响

为研究碳氢燃料燃烧温室气体N_(2)O的排放,以乙烯/空气层流扩散火焰为对象,分析了燃烧过程中碳烟影响N_(2)O生成的途径和方式.计算结果表明:碳烟可通过热效应和化学效应影响N_(2)O的生成,且影响效果截然不同.在热效应方面,碳烟的辐射散热损失导致火焰温度降低,可抑制N_(2)O的分解.在化学效应方面,碳烟的生成消耗了C_(2)H_(2),使得由C_(2)H_(2)生成的HCCO摩尔分数降低,受反应HCCO+NO→HCNO+CO的影响,N_(2)O生成量减少;此外,碳烟的生成同时促进了OH,O和H基的生成,OH基通过消耗NH可抑制N_(2)O的生成,O基通过反应O+HCCO→H+2CO消耗HCCO,从而抑制N_(2)O的生成,而H基则通过反应N_(2)O+H→N_(2)+OH消耗N_(2)O.