微波场强化油砂与木屑共热解研究

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热解是一种高效的资源转化利用技术,广泛应用于化石能源和生物质能源的加工处理过程。微波热解因其具有独特的加热特性和作用机理而备受国内外研究者的关注。本文为了实现对油砂和生物质(木屑)这两种热解原料的高效利用,分别对微波场下油砂和木屑的单独热解和共热解过程开展研究,一方面对比两种原料的分别单独热解以及共热解过程以探究共热解的协同效应,另一方面通过对比常规热解条件下的产物特性以探究微波场强化作用的效果。首先,通过热重法研究热解原料单独热解、共热解,结果表明印尼油砂主要失重温度范围为220-500°C和750-900°C左右,木屑主要失重温度范围为250-410°C左右。共热解过程中,不同混合原料在相同温度点时的失重速率不一样。同时利用红外光谱仪对热解产物进行检测,以考察不同气体产物在不同温度区间的产出速率特性,结果表明在538°C时共热解气体中CH4和CmHn(有机气体轻质烃类)产出速率最快,在800°C时单独油砂热解气体中CO2和CO产出速率最快,在438°C时单独热解木屑气体中CO2和CO的产出速率最快。其次,探究微波场热解原料的操作条件(包括微波功率、终温设置、不同吸收剂种类、吸收剂添加比例)对热解产率的影响,并选取较优操作条件进行微波场强化下油砂和木屑的单独热解和共热解实验,以探究共热解协同效应。研究结果表明,与理论值相比,共热解过程中得到的液相产物收率表现出负协同效应,气体产物收率表现出正协同效应,而木屑占20.0%的混合原料固体产物收率呈现负协同效应,随着木屑比例升高,热解完的固体产物收率又呈现出正协同效应。最后,利用固定床反应器完成常规单独热解和共热解实验,以和微波场强化下得到的热解产物特性进行对比分析。五种配比原料在微波场强化下热解产生的液相产物收率的平均值为21.8 wt.%,比常规热解下产生的液相产物收率低8.3wt.%,然而气相产物收率平均值为33.7 wt.%,比常规热解下高10.9 wt.%,但是两种加热方式下的焦质收率相似。与常规热解油相比,微波热解油的分子量分布有所不同,酚类物质均较少,而芳香烃类物质均增多,说明微波能够选择性加热介电性质较高的物质,能够破坏大分子物质中的化学键,如长链、支链和杂环化合物,并转换成小分子的芳香烃类物质。常规热解焦质表现为较大的颗粒聚集体,然而微波热解焦质表现为更多细小的颗粒和中孔分布。本文比较得出微波热解更有利于热解原料生成高附加值的化工品,这对后续微波热解技术应用于油品升级和焦质提供一定的参考意义,同时微波共热解过程存在的协同效应也对后续热解产物品质升级提供借鉴。
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