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人们的各种生产活动和日常生活都离不开能源,但随着能源短缺和环境污染等问题的日益显现,开发新能源势在必行。与化石能源相比,生物质能具有可再生性并能够实现二氧化碳零排放。开发生物质能,实现从低品位能源到高品位能源的转化,是人类长足发展的基础。热化学转化是实现这种转化的有效途径,而热解及气化是热化学转化的基本手段。
论文首先进行了麦秸在常压和加压(0.3MPa、0.5MPa、0.8MPa)条件下分别添加催化剂(CaO、NiO)的热解实验,对热解实验结果进行热重分析、动力学分析及红外谱图分析,表明CaO的催化适合于低温段,NiO的催化适合于高温段。总体来说,NiO催化热解的总失重率大于CaO,催化效果较好。从反应动力学看,添加NiO和CaO均可降低麦秸热解的表观活化能,增大热解压力可增强NiO和CaO的催化作用。热解产物CH4析出滞后于CO2和CO的生成。提高热解压力以及加入适当的催化剂(NiO和CaO)均有利于促进CO和CH4的生成,改善热解气体成分。
在热解实验的研究基础上进行了麦秸在常压和加压(0.3MPa、0.5MPa、0.8MPa)条件下分别添加催化剂(CaO、NiO)的水蒸气气化实验。对气化实验结果进行热重分析、动力学分析、主要气体成分的气相色谱分析,表明添加催化剂NiO和CaO有利于生物质气化反应的进行,尤其在NiO条件下麦秸的气化析出率和平均失重速率明显提高。从反应动力学看,添加CaO、NiO可提高麦秸气化恒温段的反应速率常数。提高气化压力可增强NiO和CaO的催化作用。添加CaO、NiO提高了CO2和H2产率,且NiO的效果更明显。加压时添加CaO提高了CO产率,添加NiO还可提高CH4产率。
论文最后建立了麦秸催化加压热解反应的表观动力学模型,非催化条件下麦秸热解采用二级化学反应机理函数,CaO、NiO催化热解采用三级化学反应机理函数。模型拟合结果与实验计算结果的动力学参数变化规律是一致的。模型结果表明,低温段时CaO催化热解的表观活化能较低,而高温段时NiO催化热解的表观活化能较低,说明NiO在高温段的催化作用较好,而CaO在低温段的催化作用显著；随压力增加,麦秸热解反应的活化能减小,加压有利于麦秸热解。