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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

焦油模型物与木屑共热解产物分布规律研究

2024-01-05


  

创新点


混合原料共热解过程促进了如脱氧、脱氢、裂解、芳香化等反应的进行,显示出正的协同作用,是促进废弃物安全有效的处理方法。论文为了更加系统清晰地探究生物质焦油催化重整等方面的特性,具有代表性、含量较多的组分(甲苯、乙酸)被作为焦油模型物,与生物质进行共热解机理的探究,探讨不同温度下共热解产物分布规律及产物之间的协同作用,实现生物质热解最大化的脱除焦油产气,有效抑制了焦油的生成,为焦油脱除及高效转化奠定坚实基础。


通讯作者简介


雷廷宙   研究员

雷廷宙博士,博士生导师,常州大学城乡矿山研究院研究员。曾担任“十二五”国家863计划可再生能源主题专家组专家、“十三五”国家重点研发计划“可再生能源与氢能”专项生物质能方向指南编制专家组组长;担任国家863计划主题项目和国家重点研发计划项目首席专家;兼任中国可再生能源学会常务理事及生物质能专委会副主任委员兼秘书长。先后入选 “中原学者”“国家百千万人才工程”“国家有突出贡献中青年专家”等荣誉称号,2017年成为中国工程院院士有效候选人。从事生物质能源技术研究和开发三十余年,目前主要从事农业废弃物成型燃料清洁生产、生物质热解气化及合成液体燃料、生物质水解制备酯类燃料以及生物质基新材料与化学品的制备与应用等技术的研发及工程化。主持了包括国家863主题项目、国家863计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等在内的40余项国家及省部级项目与课题;以第一完成人获国家科技进步二等奖1项,河南省科技进步一等奖2项、二等奖2项、三等奖1项,中国可再生能源学会科技进步一等奖1项;获得美国专利2件、PCT5件、授权中国发明专利90余件;以第一或通讯作者发表学术论文270余篇,其中SCI收录150余篇;出版专著6部。完成的科研项目多数达到国际先进水平,推进了我国生物质能利用水平的提高和产业发展。

焦油模型物与木屑共热解产物分布规律研究


作者

李学琴1,2,刘鹏1,王玲玲1,呼和涛力1,王志伟3,4,雷廷宙1,*

单位

1. 常州大学 城乡矿山研究院 常州市生物质绿色安全高值利用技术重点实验室

2. 华东理工大学 资源与环境工程学院 能源化工系

3. 河南工业大学 环境工程学院

4. 河南工业大学 碳中和研究院


基金项目

1. 国家重点研发计划资助项目(2022YFB4201901)

2. 江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金资助项目(BE2022426)

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摘要

本研究旨在利用甲苯和乙酸为焦油模型物,以杉木屑为原料,在一级固定床反应系统中进行共热解实验,以实现木屑热解最大化脱除焦油产气,并探讨不同温度下共热解产物分布规律及产物之间的协同作用。结果表明,与木屑单独热解相比,木屑与甲苯、乙酸共热解产生的协同作用呈现出优越的焦油脱除效果。其中,木屑与甲苯共热解可有效地将焦油产率减少81.47%,从焦油组分来看,含氧类化合物在共热解过程中不能有效脱除,而芳烃类物质在热解过程中易通过高温共热解脱除。而乙酸共热解的协同作用较甲苯强度稍弱,但也能将焦油产率降低至27%。共热解产物产率变化受温度影响,其变化规律与纯木屑单独热解一致,热解温度升高对半焦、焦油的抑制效果增强,为焦油脱除及高效转化提供了理论基础。

研究背景

随着全球能源危机持续爆发和生态环境严重污染,世界各国对不可再生能源的节约使用越来越重视;大力推动可再生能源的开发和利用,走可持续发展道路才是根本。具有碳捕获和储存潜力的生物能源凭借其对环境危害小、来源丰富、储存和运输方便、成本低廉等特点而备受人们的青睐。近年来,生物质转化利用技术日渐成熟,主要包括直接燃烧技术、生物化学转化技术、热化学转化技术等;其中热化学转化技术中的热解气化不仅可将固体的生物质转化为清洁的可燃性气体,还可将部分碳作为固定碳封存,具有很好的生态环境、经济和社会效益。在这个过程中伴随着大量的焦油生成,低温下凝结成粘稠的液态焦油并附着在设备内壁和管道中,降低转化效率并增加设备损耗;同时焦油中的多环芳经等有机物具有很强的致毒致癌性,也蕴含了生物质5%~15%的能量,若直接排入空气或土壤中不仅会造成能量资源的浪费,也会损害人类健康、破坏生态环境。因此,提高生物质热解过程中产生H2、CH4等可燃性气体含量及有效去除副产物焦油是生物质热解气化技术吸需解决的关键问题。

生物质焦油的化学成分取决于许多因素,例如反应温度、反应器类型和所用原料。DE等进行的研究表明,生物质类型会影响热解过程中的热降解动力学、反应性和产品特性;但是不同的焦油组分会产生不同的裂解产物,成分复杂化,难以系统性的分析辨别。目前去除焦油的方法主要有物理法和化学法,其中催化裂解法可在较低温度下实现焦油的高效脱除,但该方法的重点在于选择适合反应且活性较高的催化剂。更重要的是,实际生产应用中该方法受催化剂性能的限制很难工业化应用。因此,利用废弃焦油与生物质共热解来提高热解效果这一经济环保性能较高的技术工艺应运而生。混合原料共热解过程中促进了如脱氧、脱氢、裂解、芳香化等反应的进行,显示出正的协同作用改善了油质,是促进废弃物安全有效的处理方法。与单独的热解相比,生物质和焦油共热解发生了协同作用而产生了大量的热解气,有效抑制了焦油的生成。

基于此,为了更加系统地探究生物质焦油催化重整方面的特性,选取具有代表性、含量较多的组分(如芳烃及其衍生物、含氧化合物)作为焦油模型物进行共热解机理的探究。在前期研究中发现,木屑热解油中芳烃类含量约为40%、羧酸类约为30%。以甲苯、乙酸分别作为焦油模型物,采用共热解法实现木屑热解最大化脱除焦油产气,探讨不同温度下共热解产物分布规律及产物之间的协同作用,为焦油脱除及高效转化奠定坚实基础。

部分图片

图1 反应系统及流程示意图
图2 液体产物的分布

图3 共热解过程中液体形成的协同效应

引文格式

李学琴,刘鹏,王玲玲,呼和涛力,王志伟,雷廷宙.焦油模型物与木屑共热解产物分布规律研究[J/OL].能源环境保护:1-9[2023-12-29].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231210.

LI Xueqin,LIU Peng,WANG Lingling,HUHE Taoli,WANG Zhiwei,LEI Tingzhou.Study on the distribution law of co-pyrolysis products of tar models and sawdust[J/OL].Energy Environmental Protection:1-9[2023-12-29].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231210.

  责任编辑:宫在芹
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