生物质水热技术研究现状及发展

生物质水热转化技术作为一种新的生物质利用技术,在亚临界或超临界水下,将生物质直接转化为高品位气态、液态和固态产物。该技术具有原料适应性广、低成本和高转化率等特点,具有很好的应用前景。文章综述了近年来生物质水热技术研究的最新进展,分别对水热液化、水热气化和水热碳化3方面内容进行分析,对目前存在的问题提出了建设性的意见。     

水热炭化技术在废弃生物质资源化中的应用研究

介绍生物质水热炭化技术及反应原理,分析几类废弃生物质在该技术中的应用现状,探讨性提出了一种生物质水热炭化改进工艺,对该技术的研究方向进行展望。     

生物质水热过程中水热炭理化结构演变特性

为了解生物质水热炭化过程中水热焦炭的形成机制及其理化结构的演变机理,通过选择不同的原料、反应温度、时间等影响因素,利用高温高压反应釜,对生物质水热过程中水热炭的形成和理化结构演变进行系统分析,揭示水热过程中生物质的热分解机理。研究发现:原料不同其水热炭特性明显不同;木材和秸秆类生物质得到的水热炭有较高的产率和热值;虽然水生植物水葫芦所得到的水热炭产率较低,但其形貌最好,可作为一种新型的生物质炭材料,从而提高生物质资源的利用价值。反应温度和停留时间对水热转化均有明显影响,温度对焦炭的化学特性具有明显影响;而停留时间对焦炭的物理特性有明显影响。     

水热处理对生物质成型炭理化性质的影响

棉秆(CS)及木屑(WS)经高压反应釜水热预处理后压制成型,并于固定床热解炉内进行炭化实验,利用电子万能材料试验机、热重分析仪等分析手段分析水热预处理对生物质成型炭的产率、物理性能(机械强度和表观密度)、热值及燃烧性能的影响。研究表明:随着水热温度的升高,生物质成型炭的产率增加且热值稳定,但燃烧性能变差;经水热预处理制得的生物质成型炭灰分产率均小于18%,固定碳产率均大于60%,满足欧标要求;随着水热温度的升高,生物质成型炭的表观密度及抗压强度均先增加后减小;对比所有实验样品,经230℃水热预处理制得的生物质成型炭(CS/WS-HT230-CB)物理性能及燃烧性能最佳,且均优于商用烧烤炭性能。     

水热提质对木屑燃烧特性和热分解特性的影响

水热处理有效解决了其它热转化技术中湿物料的脱水和干燥问题,避免了复杂的干燥和昂贵的分离程序。文章以松木屑为原料,利用水热技术对其进行提质,研究松木屑在不同水热提质温度提质后的燃烧特性和热分解特性。结果表明:随着水热提质温度的升高,燃烧反应的峰值提前,燃烧温度区间变大,燃烧速率变小,热解残留量增多;水热提质温度为260℃时,木屑的平均燃烧反应速率由0.111 min-1降至0.105 min-1,降幅为38.2%;热解残留量为0.54,是原木屑残留量(0.24)的2.25倍。动力学分析表明:水热提质温度低于240℃时,燃烧反应为二级反应;水热提质温度为260℃时,为一级燃烧反应,木屑的燃烧反应趋于简单,活化能显著降低,燃烧性能得以改善;随水热提质温度的升高,热解反应趋于复杂。水热提质有助于稳定木屑燃烧过程,有利于燃烧过程优化控制。文章的研究结果可为高含水、低能量密度生物质的高效利用提供借鉴。     

利用延迟焦化方法处理生物质的技术可行性分析

延迟焦化是加工重质油的主要工艺之一.通过分析生物质能利用所存在的问题,提出了利用延迟焦化工艺和装置处理生物质的设想,通过对比延迟焦化和生物质热裂解的工艺条件以及模拟延迟焦化工艺过程的生物质热解试验,分析了利用延迟焦化方法处理生物质的技术可行性,展望和构思了该方法工业化应用的实现方式.     

生物质热解的典型影响因素及技术研究进展

生物质通过热解可以获得热解气、生物油以及生物炭,实现其资源化、清洁高效利用。文章阐述了生物质热解过程中的反应机理,探讨了不同热解条件(如温度、升温速率和热解气氛)以及不同预处理方式(如烘焙、干燥、酸洗和水热)对生物质热解特性的影响。基于催化剂特性差异将用于生物质热解的催化剂分为固体酸和碱基催化剂并进行概述。在总结前人研究进展的基础上,梳理了有热载体和无热载体的生物质热解反应器的发展进程,针对生物质热解的研究因素较为单一的现状,提出通过围绕"微观结构-宏观调控"开展多尺度、定向调控、高效制备热解产物的方法,并对热解过程中自由基的变化研究不足以及热解催化剂失活等问题提出了展望,从而为生物质热解技术的发展提供理论依据,加快实现我国生物质的资源化利用。     

基于能量产率的油茶壳水热炭化工艺优化

文章以油茶壳为原料,采用水热炭化技术制备水热生物炭,并分析了水热炭化温度、保留时间、固体物含量对水热生物炭的高位热值和能量产率的影响。以此为基础,采用正交试验优化了上述3个工艺条件对油茶壳水热生物炭的影响。研究结果表明:水热炭化温度为200℃,保留时间为30 min,反应体系中固体物含量为10%时,油茶壳水热生物炭的综合评分最好;此时油茶壳水热生物炭的高位热值为22.28 MJ/kg,能量产率为75.07%。燃烧热重分析表明,油茶壳水热生物炭的燃烧过程向高温区转移。研究结果可用于指导生产高热值、高能量产率的油茶壳水热生物炭,可为油茶壳的利用提供参考。     

锯末水热生物炭特征研究

以锯末(sawdust,SD)生物质为原料,采用水热炭化法在温度170、200、230℃,时间15、30 min下制备水热生物炭,分析水热生物炭的产率、能量产率、热值、元素组成、表面官能团、表观形貌、平衡含水率等变化等特征。工业分析、元素分析表明,温度是影响水热炭化的重要因素。锯末水热生物炭随温度的升高、时间的延长,C含量增大,O含量降低;生物炭产率、能量产率降低,热值增加。当温度为230℃,时间为30 min时,得到生物炭产率为68.78%,能量产率为78.27%,热值为21.57 MJ/kg。范式图、红外光谱分析显示,在低温短时炭化时,转化过程以脱水、脱羰基为主。扫描电镜显示水热炭化能破坏生物质微观结构,水热生物炭表面光滑,锯末在170、200℃炭化后有缝隙结构,230℃表面出现孔洞结构。平衡含水率结果表明,水热炭化能提高锯末生物炭的疏水性质,有利于生物炭燃料的保存利用。     

介质阻挡放电结合水热生物质脱硝的研究

探索并研究了在DBD放电间隙中添加生物质(包括工业木屑、玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆)对NO脱除效率的影响。研究结果表明:将工业木屑和3种农作物秸秆(玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆)作为添加物质放置于反应器放电的区间内,NO脱除效率为工业木屑玉米秸秆水稻秸秆小麦秸秆无填充。对工业木屑以及3种秸秆进行水热改性处理,研究改性木屑和秸秆对NO脱除效率的影响,结果表明,工业木屑水热改性处理2 h、玉米秸秆水热改性处理4 h、水稻秸秆水热改性处理2 h、小麦秸秆水热改性处理2 h对NO的脱除效率相对比较高。     

生物质气化焦油催化裂解特性

以白云石为载体制备的Ni基催化剂对松木粉在700℃下气化产生的焦油进行了催化裂解实验研究，并与重油裂解催化剂进行了对比。结果表明：石油化工重油裂解催化剂对生物质气化焦油具有一定的催化裂解作用；Ni的掺入方式和催化剂的煅烧温度对催化剂的性能具有显著的影响。以100～120目白云石粉为载体，900℃下煅烧的Ni基催化剂在700℃(2下焦油裂解对H2和CH4具有很好的选择性(H2为78．3％，H2 CO为92．3％，CH4为2．3％)；100h老化实验显示H2/CO随催化剂活性降低而逐渐减小。     

温度对生物质固定床热解影响的研究

在固定床上研究不同温度下生物质的热解过程,采用微型气相色谱、傅立叶红外光谱仪、比表面积和孔径分析仪等研究了热解温度对棕榈壳热解气体产物的释放特性和固体残余物生物质炭的物化特性及生物质的热解机理。实验发现生物质的热解主要集中在400～700℃,高温有利于气体产物的析出,生物质炭的量及其所含的有机官能团(C=0,C-C,C-H,C-O和OH等)随热解温度的升高快速减少。在600℃时固体生物质炭有较高的比表面积和小的孔径,表面孔结构较均匀。     

生物炭基材料在生物柴油制备中的研究进展

不同种类的生物质原料可通过热转化的方式制备生物炭,由于其独特的特性被广泛应用于不同的研究领域。近期,随着生物炭合成方法的大规模涌现,生物炭及生物炭基材料相关的研究广受关注。总结了生物炭基催化剂在生物柴油制备（酯交换/酯化反应）过程中的研究现状,简要描述了生物炭催化剂的设计和合成方法,并总结了生物炭催化剂在制备生物柴油中的应用,最后归纳了生物炭基催化剂在生物柴油制备中存在的问题,对今后的研究重点及前景做出展望,以期为将来低成本生物炭基催化剂的制备以及生物柴油合成的研究和发展提供指导建议。     

生物质固化成型的微观机理

通过对生物质固化成型微观机理的研究,建立了生物质固化成型的微观接触几何模型,确定了压辊对原料的正压力与生物质颗粒表面斜角之间的数学关系,正压力F的大小与颗粒表面斜角a_i的余弦成正比关系。通过对固化成型分子微观机理的研究,说明了固化成型燃料燃烧点低的原因。建立了生物质固化成型的能量微观机理,并从表面能角度揭示了固化成型燃料能量密度增加、燃烧值提高的机理。     

三种生物质气催化制甲醇的比较

比较了由生物质衍生的3种气体：含N_2且未调节C／H比的气体(A)、不含N_2但未调节C／H的气体(B)、不含N_2且调节C／H的气体(C)催化合成甲醇的性能。在P=4MPa、r=260℃、SV=5280h~(-1)下,与气体(C)比,气体(A)和气体(B)所得甲醇产率分别下降47.2％和25.5％,甲醇浓度分别下降1.4％和1.6％。反应温度对含CO_2的气体(A)和(B)合成甲醇的性能有重要影响,在260℃时甲醇产率和浓度都达到最佳值。大量CO_2的存在导致甲醇浓度的下降,CO_2含量越高,所得甲醇的浓度越低。     

生物质等离子体气化研究

在热等离子体提供的高温、高能量反应环境中，进行生物质的快速热解气化研究。生物质的等离子体热解气化产物由固体残渣和气体组成，无焦油存在。气体产物中主要以化学合成气（H2和CO为主。增加水蒸气流量，H2和CO含量之和均在96％以上，且V（H2）／V（CO）比率为0．90～1．15，气体产率达到2．0L/g，碳的气相转化率很高。     

几种生物质热解反应动力学模型的比较

为了选择一个合适的生物质快速热解液化计算模型，分别对R．S．Miller模型和A．M．C．Janse模型进行分析和编程；在低升温速率下，将两种模型预测结果和小麦、玉米秸秆在热分析仪上的热解实验结果进行了对比；在高升温速率下，将这两种模型预测结果和由实验数据得出的平行一级反应模型预测结果进行了对比。对比结果表明：与A．M．C．Janse模型相比，R．S．Miller模型和热解实验较吻合，和平行一级反应模型预测结果相似，而A．M．C．Janse模型和实验及平行一级反应模型差别较大。对玉米、小麦秸秆快速热解液化进行计算时，建议选用R．S．Miller模型。     

生物质间接液化制洁净燃料二甲醚

生物质可以代替化石燃料来制备合成气，进而合成洁净燃料二甲醚。介绍了生物质气化和二甲醚的性质与制法，并分析了通过生物质气化的方法制备二甲醚的可行性和关键技术，同时对技术路线的选择进行了讨论。     

酸浓度对水解液中葡萄糖分解反应的影响研究

研究了酸氛下葡萄糖的分解特性,考察了酸浓度(0.05～0.20mol/L)、温度(150～200℃)和反应时间(0～25min)对匍萄糖分解的影响.通过分析实验数据,运用数值计算方法对动力学参数进行估计,得到了该反应的表观活化能为136.83 kl/mol,建立了能反映H 浓度对葡萄糖分解速率影响的动力学方程,其计算值与实验值的平均残差平方和为0.00382.     

超临界水中木质素/CMC催化气化制氢

在间歇式高压反应釜中,以碱性化合物K_2CO_3和Ca(OH)_2以及Ru/C为催化剂,对木质素在超临界水中的气化制氢特性进行了实验研究。结果表明:3种催化剂都有较好的催化作用,其中Ru/C的效果最佳,几种催化剂混合使用的效果要比单独一种催化剂使用时好,但是其提高的幅度不很明显。另外,随着温度的升高,H_2和CH_4的产气量以及氢转化率等都相应的升高。