钾盐催化木屑热解特性影响研究

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生物质是一种可再生能源,其热化学利用方式在解决能源短缺、环境污染等问题发挥着重要作用。由于常规热解转化存在效率低、产物品质差等问题,催化热解技术已受到广泛关注。本文开展了钾盐催化木屑热解特性影响研究工作,选取两种钾盐(K2CO3和KOH)为催化剂,考察了催化剂添加量、热解温度和催化剂种类对木屑热解过程及热解产物的影响,全面分析比较不同热解条件下热解产物组分变化和分布规律,找到了适合的工艺条件。结合不同动力学分析方法,推测木屑热解最适合反应机理,通过建立热解模型进行模拟预测,进一步了解了钾盐催化木屑热解特性。使用热重分析仪分析了钾盐催化木屑热解特性。发现木屑热解过程分为脱水、初期热解、热解主要失重区和炭化4个阶段。升温速率提高使木屑热解向高温移动,最大失重速率增加,而总失重量降低。添加两种钾盐催化剂,发现两者均促进了木屑热解,使得热解温度显著降低,改变了木屑热解过程,使得热解失重速率曲线(DTG曲线)变为仅有“一个最大热解峰”的形式。比较认为KOH由于具有低熔融点和高强碱性特性,使得催化效果要优于K2CO3。结合热重实验结果进行了动力学参数计算。对样品反应机理进行了推测,结果显示低温、高温段下,木屑反应机理分别遵循二维扩散模型和随机成核及随后生成模型。添加催化剂后,木屑分别遵循三维扩散模型和化学反应模型。比较动力学计算结果,发现两种催化剂均降低了木屑低温热解活化能,略微增加了高温热解活化能。建立热解反应模型进行预测,结果表明模型能够较好地描述木屑热解过程,催化剂添加促进了原料及中间产物在低温下的热解反应。通过热解实验考察了不同影响因素对热解产物组分和产率影响。分析产物产率,发现两种催化剂均提高了热解合成气和半焦产率,降低了热解油产率,K2CO3过量添加会阻碍热解进行,而KOH不受此影响限制。分析产物组分,认为两种催化剂均增加了合成气组分中H2和CO2含量,降低了CH4和CO含量;提升了热解油品质,使得油中氧含量降低;同时半焦的孔隙结构也得到了改善。比较两种催化剂,认为KOH对合成气中H2提升以及热解油芳烃类的促进有更显著的影响,而K2CO3对半焦孔隙结构的改善更加优异。综合考虑认为K2CO3添加量为10%,热解温度为800℃是最适合的制气工艺。
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