HZSM-5分子筛催化木质素热解制芳烃研究进展

芳烃是重要的有机化工产品原料,也是汽油的重要混合组分,传统获取途径来自石油路线。石油的持续消耗与日渐枯竭迫使人们从可再生生物质资源路线获取芳烃。生物质中的木质素具有丰富的芳香结构组成,是生产芳烃的潜在原料。HZSM-5分子筛催化木质素热解转化制芳烃受到关注,然而存在产物选择性差、催化剂易积炭失活等问题。本文分析了HZSM-5理化特性、反应条件对芳烃产物分布影响;综述了金属改性、脱硅改性、复合介孔催化剂、辅助催化等改性方式,通过调变催化剂的酸性、孔道、传质扩散等提高生物油产物中单环芳烃的分布以及催化剂的稳定性。提出了该催化热解转化过程研究的未来方向,如根据目标芳烃产物选择HZSM-5改性策略、深入揭示其催化作用和积炭机理等。

层流炉反应管内气固两相流的实验研究

为研究层流炉反应管内气固两相流的运动规律,设计制造一套1∶1的冷态透明玻璃实验装置。在主气流氩气流量为1.0、1.5、2.0、2.5 m3/h时,利用粒子图像测试技术(PIV)对反应管内氩气流(以水蒸气为示踪粒子)和生物质半焦颗粒速度场进行测量。结果表明:在反应管中心处,氩气速度和生物质半焦颗粒的轴向速度相差较大,不能用氩气速度代替颗粒速度。通过对实验数据的分析计算,获得反应管内雷诺数与生物质半焦颗粒停留时间(无量纲处理后)的关联式。可将该结果用于计算热解挥发特性实验的颗粒停留时间,从而优化颗粒停留时间的计算方法,为建立更加合理的热解动力学模型提供依据。

沼液微生物燃料电池的产电及有机物降解特性研究

为了使发酵沼液得到减量化、无害化处理及能源化利用,该研究构建了以玉米秸秆发酵沼液为阳极底物的双室微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)。通过对比不同浓度沼液MFC产电特性、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率及库伦效率等探究 MFC对玉米秸秆沼液的降解效果及其能量回收效率。结果表明,玉米秸秆沼液MFC能够正常启动,并且能够长时间运行产生电流。当初始COD质量浓度为(3618.6±55.6)mg/L 时,其最大功率密度为203.4 mW/m^2,COD去除率可达63%;并随着沼液中有机物浓度降低,MFC运行稳定性下降,最大输出功率密度成线性降低。通过对原料及阳极溶液和阳极生物膜菌群结构分析可知,以玉米秸秆发酵沼液为阳极底物的MFC菌群结构合理,MFC可以利用沼液中的水解细菌分解阳极溶液中的纤维素等大分子物质,主要以Clostridia、Flavobacteria 和 Bacteroidia菌纲为主;同时阳极生物膜可以富集接种物中的产电细菌,分解小分子有机物产生电能,2类微生物可以互利共生,避免了沼液 MFC的高浓度抑制。该研究表明,MFC可以降解较高浓度沼液废水,并产生电能,该研究可为发酵沼液的处理与利用提供参考。

滇池藻水热液化成油特性研究

以滇池藻为原料研究水热液化条件对其液化反应的影响,并分析反应温度对水热液化产物分布及生物油特性的影响。结果表明:在反应温度300℃、反应时间60 min、原料含固率20%条件下生物油产率最高为14.82%,生物油能量回收率最高为54.11%,碳、氢元素回收率分别为49.65%、24.83%,其热值为35.79 MJ/kg。GC-MS分析结果显示:生物油含烃类22.4%,有机酸类34.3%,氮氧化合物21.1%,酯类5.47%。反应温度对生物油组分中含氮氧杂环化合物、酯类、有机酸类、烃类以及酚类化合物GC含量变化有很大影响。反应温度为380℃时转化率最高为83.87%,生物油H/C最高,N/C最低,比值分别为1.39和0.05,热值为36.76 MJ/kg。

棉秆生物炭去除水中Zn(Ⅱ)的试验研究

为探究棉秆生物炭(棉秆炭)对重金属Zn(Ⅱ)的去除作用,利用水平管式炉分别在400℃、500℃、600℃热解温度下制备棉秆炭,进行Zn(Ⅱ)的吸附试验。对比棉秆炭、木质和煤质活性炭对不同浓度溶液中Zn(Ⅱ)的去除效果。分析棉秆炭的元素含量和官能团变化等性质,以揭示吸附机理。结果表明,棉秆的DTG曲线在327℃出现最大值,温度高于600℃时,DTG曲线趋于稳定,棉秆的热解基本完成。随热解温度的升高,炭产率、H/C和O/C元素比均下降,说明棉秆炭芳香化程度和碱性增强,含氧极性官能团数量减少,红外分析印证了以上结论。去除率上,棉秆炭与Zn(Ⅱ)初始浓度和热解温度负相关,木质活性炭与Zn(Ⅱ)初始浓度正相关;吸附量上,棉秆炭、木质和煤质活性炭与Zn(Ⅱ)初始浓度正相关,棉秆炭与热解温度负相关。当Zn(Ⅱ)溶液浓度为2 mg/L时,棉秆炭的吸附性能优于木质和煤质活性炭,当Zn(Ⅱ)溶液浓度为10 mg/L、50 mg/L时,木质活性炭的吸附性能优于棉秆炭和煤质活性炭。棉秆炭吸附Zn(Ⅱ)的机理包含配位反应和离子交换。

生物质热解固体热载体高温烟气加热装置设计与试验

固体热载体加热生物质是生物质热解制取生物油的工艺手段之一。为解决固体热载体间接加热方式升温慢、效率低问题,设计了一种流化床生物质燃烧的热烟气直接加热固体热载体装置,分析了其结构与原理,开展了固体热载体升温性能和流化床燃烧器的燃烧特性试验研究,并对试验结果进行了热平衡分析。结果表明:流化床高温烟气加热陶瓷球热载体的平均热能利用率为66.3%,流化床燃烧生物质粉产生的高温烟气能够满足热载体加热装置对热源的需求,热载体加热器内的热量传递方式主要是对流换热。陶瓷球热载体与加热器内高温烟气的对流传热系数为475 W/(m^2·℃)。研究对结果对解决生物质热解液化技术中的固体热载体加热升温关键问题具有重要指导意义。

层流炉反应管内炭粉颗粒运动的PIV试验

为了研究炭粉颗粒在层流炉反应管内的运动规律,按照1∶1比例设计制造了一套透明玻璃试验装置用于PIV流场测量。分别在4种不同的主气流量下,对粒径为100～120目的炭粉颗粒在反应管内的速度场进行了PIV无接触测量。结果表明,在反应管中心处,开始时,炭粉颗粒的轴向速度在下料口附近很小,然后迅速增加到最大值,而后以此速度运动一段距离后,速度开始减小。在约1.8～123.8mm段,炭粉颗粒的轴向速度在管道中心处为最大。轴向速度沿径向成类似抛物线状分布;通过对测量数据的分析计算,获得了管内气流雷诺数与炭粉颗粒停留时间(无量纲处理后)的关联式。

反应条件对玉米秸秆水热液化产物分布及特性的影响

利用间歇式生物质水热液化反应釜,通过正交试验设计考察不同反应条件对玉米秸秆水热液化(HTL)的影响,过程参数包括反应温度(250~350℃),反应时间(0~60 min)和含固量(5%~15%)。从元素组成、官能团分布、主要化学成分以及结构形貌等对玉米秸秆水热液化产物的特性进行了分析。研究结果表明:玉米秸秆水热液化的较优条件为反应温度300℃、反应时间30 min、含固量5%,此时生物原油(BO)、固体残渣(SR)、其他产物(气相和水相产物)的产率以及液化率分别为22.85%、15.02%、62.13%和84.98%。过程参数对玉米秸秆水热液化的产物分布有显著影响。不同反应条件下玉米秸秆组分降解程度不同,生物原油的产率8.31%~22.85%,热值30.56~32.69 MJ/kg,水相产物的总有机碳(TOC)7711.5~12336.0 mg/L,固体产物的组成和表面形貌也不同。FT-IR结果显示:生物原油的官能团分布相似,仅某些峰强度有所差异,表明不同水热条件制备的生物原油中化合物种类相似但含量存在差异。GC-MS分析结果显示:生物原油组成包括酚类、酮类、有机酸类、醛类、醇类、含氮化合物和呋喃类等化合物。

可视化循环流化床混合流动测量试验台设计与试验

当循环流化床作为生物质热裂解反应器时,为便于研究流化床内多孔陶瓷球与生物质粉的混合流动规律,设计了一套可视化循环流化床异质颗粒混合流动测量平台和相应的给料装置。流化床由石英玻璃制成,可满足对生物质热裂解过程的冷态与热态测量的要求。提升管为100 mm×100 mm×1 200 mm的竖直方管,生物质粉给料装置为刮板和螺旋两级喂料。在冷态试验条件下,利用粒子图像测速技术(PIV)对提升管内多孔陶瓷球与生物质粉的混合流动进行了测量。试验结果表明,设计的混合流动试验台能够满足不同流化气速下异质颗粒混合流动的测量要求。