油料秸秆快速热解液化及生物油品质评价

【摘要】： 与石化能源相比,生物质能具有环境友好和可再生两大突出优点。目前,生物质能的利用与转化受到世界各国政府与科学家的广泛关注,其技术研发已成为重大热门课题之一,其中,生物质热转化技术是生物质能源研究与开发的重要领域之一。生物质热转化技术主要包括直接燃烧、热解气化、热解液化等,而生物质热解液化技术以其能提供替代液体燃料的优势而备受重视。 生物质快速热解液化技术以高加热传热速率、中等温度及极短停留时间、快速冷凝为基本特征,以液体产物生物油为目标产品,具有能够将低品位、低能量密度的生物质转化为高品位的易储存运输、能量密度高且具有商业价值的固态、液态及气态燃料的优势。国内外对麦秸、稻草、玉米秆以及木屑等热解液化研究较多,对油料秸秆的热解液化研究鲜见报道。 本论文针对油料作物秸秆废弃物尚未很好利用这一现实问题,在研究建立生物质快速热解液化实验台架装置的基础上,对油菜、花生、芝麻等油料秸秆进行了品质分析、能值评价、预处理与热解液化实验研究,并对其产品生物油进行了结构与组分分析,得出如下结论: 1、油料秸秆的品质与预处理技术研究 (1)对油料秸秆进行了工业分析、元素分析和热值分析,结果表明:油菜、花生、芝麻等油料秸秆灰分含量在5%左右,水分含量为10%左右;纤维素含量较高,其中花生秸秆最高,达45%,半纤维素、木质素相对较低,热值为16～18MJ·kg~(-1),根据快速热解液化有关机理,认为油料类秸秆适宜作为快速热解液化的原料。油料秸秆中C、H、O三种元素含量之和均为98%左右,同时还含有少量的N元素和S元素,其中,花生秸秆中N元素含量最高,为1.57%,而油菜秸秆中S元素含量最高,为0.85%,与花生、油菜作物自身特性是一致的。 (2)对油料秸秆预处理技术进行了研究,结果表明:水洗酸洗并经烘箱干燥可几乎全部脱除油菜秸秆中灰分,并降低水分含量,相比于未脱灰的秸秆,脱灰处理使得秸秆中纤维素与半纤维素的含量分别提高了9%、5%,说明其物化特性有所改善,对探索脱灰处理对生物质热解影响具有重要意义。油料秸秆经干燥、粉碎、筛分等处理后,其粒径Dp≤0.9 mm,可满足生物质快速热解的工艺需要。 2、油料秸秆的快速热解液化研究 (1)首次对油料秸秆快速热解液化工艺进行了系统研究,结果表明:流化床反应器适用于油料秸秆的快速热解液化,在热解温度450～550℃、进料速度2kg·h~(-1)、吹料风速10m·s~(-1)、流化风速15m·s~(-1)的条件下,能够得到较高产率的生物油。 (2)探讨了原料种类、粒径、热解温度及脱灰处理对油料秸秆热解产物的影响,结果表明:3种油料秸秆纤维素、半纤维素及木质素含量不同,其热解得到的生物油产率不同,其中纤维素含量最高的花生秸秆热解生物油产率最高,达50%,其次是芝麻秸秆,为45%,最后是油菜秸秆,为42%;温度是影响秸秆热解的关键因素之一,在450～480℃之间,生物油产率随温度升高而增加,高于480℃时,二次裂解反应的加剧导致生物油产率的下降。不冷凝气体产率始终呈现出随温度升高而递增的趋势,而焦炭产率则随温度升高而降低。 (3)对油菜秸秆进行脱除灰分处理后其生物油产率提高了14%,达56%,同时发现其最佳热解温度提高了20～30℃。 3、油料秸秆生物油的分析与评价 (1)对油料秸秆热解生物油的物化特性进行了研究,结果表明:油料秸秆生物油为棕黑色液体状,常温下pH为2.65～3.80,酸性较强;闪点虽然较低,为43℃左右,但因含水量达35%左右,因此着火性能较差;粘度为4.64～5.64mm~2·s~(-1),倾点为-28～-19℃,凝点一般比倾点低2～5℃,低温流动性能较好;密度为1127～1154kg·m~3,高于化石燃料;灰分低于1%,残炭为10%左右;生物油热值为18～21MJ·kg~(-1),约为化石燃料的一半;元素分析结果表明,生物油的氮、硫含量低,清洁、污染小,但碳氢比较低,为0.65左右,氧含量较高,达42%～47%,有待进一步改性或精制,提升其品质与价值。 (2)利用FTIR和GC-MS等手段对油料秸秆生物油结构与组分进行了分析,表明生物油组分复杂,主要含有多元酚、酮、酯、醇、醛及有机酸类等。原料来源不同,在相同的分析条件下,可检测到的化合物组分及其含量有显著差别,其含量高低顺序与生物油产率的高低顺序一致,对于生物质快速热解液化原料的选择以及开展生物油的应用技术研究具有重要的指导意义。 脱灰处理除可提高生物油产率外,还对生物油组成有较大的影响。与油菜秸秆生物油相比,在相同分析条件下,脱灰油菜秸秆生物油中可检测到的化合物含量要高2倍,尤其酮类和酚类化合物含量,分别比油菜秸秆生物油高16%和10%左右。 【关键词】：油料秸秆 脱灰 快速热解 液化 生物油
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TE667
【目录】：

• 摘要7-10
• Abstract10-14
• 缩略语表14-15
• 第一章 绪论15-27
• 1 能源与社会发展15-16
• 2 生物质能概述16-18
• 2.1 生物质能16-17
• 2.2 生物质能研究与开发的意义17-18
• 2.2.1 经济意义17
• 2.2.2 社会意义17
• 2.2.3 生态意义17-18
• 2.2.4 战略意义18
• 3 生物质热转化技术18-26
• 3.1 生物质热转化技术分类18-19
• 3.2 生物质快速热解液化技术研究进展19-26
• 3.2.1 生物质快速热解液化机理19
• 3.2.2 生物质快速热解液化工艺19-21
• 3.2.3 国外生物质快速热解液化技术的研究进展21-23
• 3.2.4 我国生物质快速热解液化技术的研究进展23-25
• 3.2.5 生物油的精制与应用25-26
• 4 本文的主要研究内容26-27
• 第二章 油料秸秆品质与预处理27-35
• 1 前言27-28
• 2 材料与方法28
• 2.1 试验材料28
• 2.2 主要仪器28
• 2.3 试验方法28
• 3 试验步骤28-29
• 3.1 原料干燥、粉碎、筛分28
• 3.2 油菜秸秆的脱灰处理28-29
• 3.3 热解实验前的原料处理29
• 4 结果与分析29-33
• 4.1 油料秸秆品质分析29-31
• 4.2 秸秆粒度的选择31-32
• 4.3 秸秆水分的控制32
• 4.4 秸秆脱灰的意义32-33
• 5 小结33-35
• 第三章 油料秸秆快速热解液化的实验研究35-48
• 1 前言35-36
• 2 实验装置和流程36-41
• 2.1 实验装置36-39
• 2.1.1 进料系统36-37
• 2.1.2 反应系统37
• 2.1.3 分离系统37-38
• 2.1.4 冷凝系统38
• 2.1.5 控制系统38-39
• 2.2 实验流程39-40
• 2.3 实验操作40-41
• 2.3.1 原料预处理40-41
• 2.3.2 热解实验41
• 3 结果与分析41-47
• 3.1 油料秸秆的快速热解液化产物生物油41-42
• 3.2 油料秸秆种类及操作条件对热解产物分布的影响42-47
• 3.2.1 不同秸秆种类对热解产物分布的影响42-44
• 3.2.2 不同原料粒度对热解产物分布的影响44-45
• 3.2.3 热解温度对热解过程及产物分布的影响45-46
• 3.2.4 脱灰处理对热解过程及产物分布的影响46-47
• 4 小结47-48
• 第四章 油料秸秆生物油的分析与评价48-64
• 1 前言48-49
• 2 材料与方法49-50
• 2.1 试验材料49
• 2.2 主要仪器49
• 2.3 试验方法49-50
• 3 结果与讨论50-62
• 3.1 生物油的物理特性分析50-53
• 3.1.1 密度50
• 3.1.2 运动粘度50-51
• 3.1.3 酸性与腐蚀性51
• 3.1.4 水分51-52
• 3.1.5 闪点与着火特性52
• 3.1.6 倾点、凝点52-53
• 3.1.7 灰分、残炭53
• 3.2 热值与元素分析53-54
• 3.3 组分分析54-61
• 3.3.1 FTIR分析54-56
• 3.3.2 GC-MS分析56-61
• 3.4 生物油及其所含组分的用途61-62
• 4 生物油的精制与应用62-63
• 5 小结63-64
• 第五章 总结与展望64-67
• 1 主要结论64-65
• 2 本课题的特色65-66
• 3 展望66-67
• 参考文献67-75
• 致谢75-76
• 附录 研究生在读期间所取得的研究成果76

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