烘焙秸秆与废塑料微波共热解制备高品质生物油的研究

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随着化石燃料能源的紧缺,生物质能逐渐进入人们的视野。由于其来源广泛并且可再生,近年来许多研究者对其进行了研究。生物质微波热解是将生物质通过微波加热的形式转化为固、液、气三相产品。但获得的液体产物中具有大量的水和高含氧量,这严重影响了生物油的品质。因此,本文采用微波烘焙预处理来改善生物油中的水分含量,以及通过添加塑料为热解过程提供大量的H2和H+,从而改善生物油的品质;并对微波共热解的条件、共热解动力学以及反应机理等方面进行了较为详尽的研究,以期为微波加热在共热解领域的应用提供理论基础。本文研究的主要内容如下:(1)以低密度聚乙烯(LDPE)为废塑料模型化合物与未烘焙稻草秸秆不同比例下混合进行微波共热解,研究两种原料的最佳混合比例。研究结果表明:随着LDPE含量的增加,可挥发组分在不断增加,且在30%LDPE的添加量下与稻草秸秆共热解具有最高的生物油产率,为29.83%。在LDPE含量为30%时,生物油中烃类物质含量最高为30.80%,且酸类物质最少。(2)利用微波加热形式对稻草秸秆进行烘焙预处理,并将LDPE与烘焙后秸秆以30%混合进行微波共热解,对微波烘焙预处理的工艺条件进行优化,获得的最优条件为:烘焙温度为240°C和烘焙时间为10min。在此条件下获得的生物油产率相对较高,生物油中水分含量相对较低,并且GC/MS结果显示此条件下获得生物油中烃类的含量最多,超过总物质含量的35%。提高了生物油的品质。(3)利用自行设计的外接催化固定床的微波反应器进行共热解实验。研究了温度和催化剂对微波共热解的影响,在此基础上利用Design-Expert软件建立实验参数与产物之间的响应曲面图,获得最佳的条件优化结果。结果表明:反应条件为550°C和催化剂用量为5%时,获得的生物油产率也是相对较多的,并且此时生物油中烃类的含量最高,苯酚与愈创木酚的含量也较大。(4)以木质素和纤维素为稻草秸秆的模型化合物来研究微波共热解动力学和反应机理。共热解发现生物油中的酚类物质主要来自于木质素的热解,而呋喃类物质主要来自于纤维素热解。动力学分析表明木质素与LDPE在共热解时的温度范围较宽,纤维素和烘焙后稻草秸秆的温度范围较小。与单独热解相比,共热解时动力学参数反应级数发生变化,并且活化能降低。揭示了主要协同机理是纤维素热解生成呋喃类化合物与LDPE热解生成的烃类,在催化剂的作用下生成多烯烃和环烃;以及塑料中产生的H+与木质素相结合,生成酚类化合物,在催化剂的作用下通过一系列的反应形成多烯烃和环烃。这表明废塑料(LDPE)的添加使得稻草秸秆热解获得的生物油产量和品质得到提高。
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