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微波预处理驱动下化学链气化小球藻制取合成气的机理研究

【摘要】:随着日益严峻的环境污染及能源短缺问题,生物质作为一种可再生的绿色能源受到越来越多的关注和重视。作为第三代生物燃料,微藻具有生长周期短、生物产量高、含油量丰富、不占用农业耕地、固定CO2能力强等优势成为当前研究的热点。微藻气化制取可燃气是微藻能源化利用的一个重要技术方向,其中化学链气化作为一种新颖的气化技术而受到研究学者的关注。目前国内外在化学链气化生物质方面的研究尚处于起步阶段,结合微波预处理的研究未见报道,机理和技术研究还有较多不足之处,为此,以小球藻为研究对象,深入研究探讨微波预处理驱动下化学链气化小球藻制取合成气的特性、残渣性能变化、失重特性、气相产物红外演变特性以及小球藻焦化学结构的变迁行为,对于深入了解和揭示微波预处理驱动下化学链气化反应机理具有重要的现实意义。首先,采用管式固定床反应器研究多工况下化学链气化小球藻的反应特性,获得合成气的产出特性、残渣的性能变化以及最优运行参数。结果表明:化学链气化反应能显著促进小球藻的气化反应,气体产物增加明显,达24.67%,而且H2、CO、CH4、CO2、气体产率、低位热值、碳转化率和气化效率均有明显的增加。随着氧载体含量的增加,气体产物、CO2、气体产率、碳转化率和Fe3+含量逐渐增大,H2、CH4和低位热值持续降低,而CO、气化效率先增加后持续降低。随着反应温度的增加,气体产物、气体产率、碳转化率和气化效率先升高而后降低,CO2和CH4浓度逐渐降低,H2和CO浓度逐渐增加。1.0是最佳的氧载体/小球藻比例,800℃是最佳的化学链气化反应温度和氧载体的最佳氧化温度。其次,在不同微波预处理功率和时间下,利用管式固定床反应器进行化学链气化实验,获得了微波预处理条件对合成气产出特性的影响以及最佳的微波预处理条件。结果表明:随着微波预处理功率的增加,CO和H2浓度、低位热值LHV、气体产率、碳转化率、气化效率和Fe2+含量均先增加然后降低,而CO2浓度先降低然后逐渐增加,CH4浓度持续降低。随着微波预处理时间的增加,CO、H2和CH4浓度、低位热值LHV、气体产率、碳转化率、气化效率和Fe2+含量均先增加然后降低,而CO2浓度先降低然后逐渐增加。另外,适当的微波预处理功率和时间可以使固体残渣的结构变得疏松,相反则会使结构紧密。750 W和60 s是最优的微波预处理功率和时间。然后,采用热重分析仪研究不同升温速率和预处理条件对化学链气化小球藻特性的影响,获得了失重特性和反应动力学参数,建立了化学链气化反应动力学模型。结果表明:化学链气化过程可以划分为干燥阶段、热解阶段、热解焦气化以及矿物质分解和热解焦气化4个阶段;热解阶段是最大的失重段,其次是热解焦气化阶段;化学链气化反应的效果和反应性明显优于热解反应,而且微波预处理后效果和反应性更佳;化学链气化反应的固体转化率增加了38.68%,微波预处理后继续提高了14.23%。随着升温速率的增加,失重速率、固体转化速率、比反应速率和反应活性提高,反应开始温度升高,残留物重量相应增加。均相反应模型在3个阶段主反应区间的拟合效果均优于缩核反应模型,合适的微波预处理可以降低反应活化能,有效地促进化学链气化反应。接着,采用TG-FTIR联用技术分析不同反应工况下的化学链气化特性,探讨了热重特性、气体产物的析出特性,获得了微波预处理驱动下化学链气化小球藻的气相产物析出演变路径。结果表明:C-O(醇、酚和醚)、C=C(芳香族化合物)、C=O(醛、酮、酸和酯)、NH3、HCN的主要析出区间为热解阶段;化学链气化反应和微波预处理均能抑制NH3和HCN的排放量;微波预处理小球藻后,其排放浓度更低。CO的主要析出区间为热解阶段和炭化阶段;化学链气化反应中CO排放浓度增加,微波预处理小球藻后,CO析出量最大。化学链气化反应中H2O、CO2、CH4排放量比热解反应有所增大,小球藻经过微波预处理后其排放量有所下降,但多于SiO2:Chlorella工况。最后,在恒温条件下应用红外压片技术分析各种小球藻焦化学结构的变化情况,获得各个基团的变化规律,揭示了主要官能团或结构的演变行为。结果表明:反应的前1min是主要的失重区间,1~10 min是第二个较大的失重区间,化学链气化反应性能明显高于热解反应,微波预处理后性能更优。-OH、C-H、-CH2、-CH3和C=O官能团在化学链气化反应后,发生断裂、缩合、重组和芳构化等反应而析出H2O、CH4、C2H4、C2H6和CO2等小分子气体,进而均明显地降低了吸收峰强度。芳核C=C、醚键和Fe2O3吸收峰强度随着反应时间的增加先增加而后逐渐降低,微波预处理后吸收峰强度明显降低。化学链气化反应后S=O伸缩振动吸收峰强度降低,而产生更多的H2S或SO2气体,微波预处理后有利于后续反应SOx污染物的减排。

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