钠盐对玉米秸秆热解气生成规律影响及反应动力学分析
发布时间：2021-03-23 20:13
东北地区主要的农业废弃物玉米秸秆焚烧严重,造成环境污染,其合理消纳是亟需解决的问题。基于此,该文利用微型流化床与过程质谱联用仪研究在床温分别为550、600、650、700及750℃添加Na2CO3和NaCl的玉米秸秆热解气相产物（CO、CO2、CH4、H2）的析出特性,并采用等温模型拟合法计算了单组分气体产物生成反应的动力学参数。结果表明:随着温度的升高,4种热解气体产物的释放强度均有所增大,其中CO的变化程度最大。同时,添加钠盐后,各种气体释放起始时间差逐渐减小,说明钠盐促进了热解反应的进行。其中,添加Na2CO3后热解产生的CO、CO2和CH4的速率明显变快,表明其对含炭气相组分的生成具有明显促进作用。而添加NaCl后H2的生成速率明显加快,说明NaCl对H2生成具有选择性催化作用。此外,秸秆热解中不同气相产物生成反应活化能的计算结果也证实了上述结论。该文通过热解制备可燃气的方式以期为玉米秸秆的处理提供参考。
【文章来源】：农业工程学报. 2019,35(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
MFBR-MS热解试验系统图Fig.1SchemediagramofMFBR-MSsystem
)2/33(1x)ln(1x)1/3ln(1x)G(9)成核与生长(n=1/4)1/34(1x)ln(1x)1/4ln(1x)G(10)自催化x(1x)lnx/(1x)G(11)n=21/22x1/2xG(12)n=32/33x1/3xG(13)n=43/44x1/4xG(14)化学反应3(1x)2(1x)12G(15)化学反应2(1x)1(1x)1G(16)成核与生长(n=1)(1x)ln(1x)G(17)收缩几何形状1xG(18)收缩几何形状2/33(1x)1/31(1x)G(19)收缩几何形状1/22(1x)1/21(1x)2结果与讨论2.1热解试验参数的确定2.1.1流化气量对热解的影响图2为不同流化气量下转化率随反应时间的变化。由此可知，随着流化气量的增加，反应区的床料逐渐由固定床转变为流化床，传热传质效果增强，热解气体产物的转化速率逐渐加快，并且达到完全热解时间变短。而当流化气量大于500mL/min后其影响程度逐渐减弱，此时，反应区的床料已达到充分流化，床层中鼓泡与反混效果较强，反应物停留时间长，反应较充分。且继续增加流化气量对其影响逐渐减弱，表现为转化率曲线的差异性逐渐变校而当流化气量增加至800mL/min时，床层中部分小粒径颗粒已达到气力输送状态，转化速率略有增加。所以，本文试验中流化气量选取达到充分流化时的起始气量为500mL/min。图2流化气量对转化率的影响Fig.2Effectoffluidizationgasflowrateonconversionrate
农业工程学报（http://www.tcsae.org）2019年2382.1.2反应器内温度及压力变化为了判断反应过程的稳定性，对不同热解温度下反应过程中反应区域的温度与压力进行在线监测，图3给出的是650℃时的情况。由图3a可知，在快速热解试验中，主反应区的温度始终在预设温度650℃附近波动，在脉冲进样时，温度波动仅为1.1℃左右，说明流化床内温度基本保持均匀，几乎不受热解反应吸热的影响。所以，本研究所采用的反应系统具有较好的等温特性，可实现玉米秸秆的等温热解反应。由图3b中可知，脉冲进样过程中会造成瞬间的压差波动，而后在极短时间内即可恢复并稳定在10.98kPa左右，说明脉冲进样时对主反应区压力产生的影响较小，基本可以忽略。综上，玉米秸秆在MFBR中催化热解反应过程具有较好的稳定性，这也确保了试验结果的准确性。2.2温度对玉米秸秆热解气相产物析出特性影响玉米秸秆在不同温度下热解气转化率随时间变化情况如图4所示。温度是影响热解过程中多相产物（气体、焦油、焦炭）产率的最主要因素之一。从图4可知，在550～750℃的温度范围内，4种主要气体产物（CO、CO2、CH4、H2）的转化速率都随温度的升高而快速增加，且达到相同转化率所需的时间逐渐缩短，说明高温促进热解反应的进行。此外，所有气体产物的主要转化过程（转化率达到80%）通常需要3～4s，这是因为样品被快速送入到预设床温的流化床反应器中，反应物在高温及强扰动条件下迅速反应，几乎不受产物扩散的影响。a.温度b.压降a.Temperatureb.Pressuredrop图3650℃下流化床内温度和压降变化Fig.3Temperatureandpressuredropchangesinfluidizedbedat650℃a.COb.CO2
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物质热解影响因素及技术研究进展[J]. 胡二峰,赵立欣,吴娟,孟海波,姚宗路,丛宏斌,吴雨浓. 农业工程学报. 2018(14)
[2]微型流化床内碱金属和碱土金属对稻壳热解动力学的影响特性[J]. 郭飞强,刘元,郭成龙,董玉平. 化工学报. 2017(10)
[3]添加剂对生物质热解影响研究[J]. 潘超. 化工管理. 2015(14)
[4]碱/碱土金属对纤维素热解特性的影响[J]. 武宏香,赵增立,张伟,李海滨,何方. 农业工程学报. 2012(04)
[5]玉米秸秆的催化微波裂解及生物油成分[J]. 万益琴,刘玉环,林向阳,杨昌炎,张波,陈灵,雷寒武,阮榕生. 农业工程学报. 2009(04)
[6]新鲜生物质催化热解特性的研究[J]. 闵凡飞,张明旭,陈清如,陈明强. 林产化学与工业. 2008(03)
[7]生物质能研究现状及展望[J]. 周中仁,吴文良. 农业工程学报. 2005(12)
[8]秸秆类生物质热解特性及其动力学研究[J]. 赖艳华,吕明新,马春元,施明恒. 太阳能学报. 2002(02)
硕士论文
[1]微型流化床反应分析仪在生物质热解中的拓展及应用[D]. 毛业兵.山东大学 2016
[2]玉米秸秆热解及在甲醇中的热化学转化研究[D]. 石玉良.太原理工大学 2010
[3]生物质热解动力学研究[D]. 王新运.安徽理工大学 2006
本文编号：3096358
【文章来源】：农业工程学报. 2019,35(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
MFBR-MS热解试验系统图Fig.1SchemediagramofMFBR-MSsystem
)2/33(1x)ln(1x)1/3ln(1x)G(9)成核与生长(n=1/4)1/34(1x)ln(1x)1/4ln(1x)G(10)自催化x(1x)lnx/(1x)G(11)n=21/22x1/2xG(12)n=32/33x1/3xG(13)n=43/44x1/4xG(14)化学反应3(1x)2(1x)12G(15)化学反应2(1x)1(1x)1G(16)成核与生长(n=1)(1x)ln(1x)G(17)收缩几何形状1xG(18)收缩几何形状2/33(1x)1/31(1x)G(19)收缩几何形状1/22(1x)1/21(1x)2结果与讨论2.1热解试验参数的确定2.1.1流化气量对热解的影响图2为不同流化气量下转化率随反应时间的变化。由此可知，随着流化气量的增加，反应区的床料逐渐由固定床转变为流化床，传热传质效果增强，热解气体产物的转化速率逐渐加快，并且达到完全热解时间变短。而当流化气量大于500mL/min后其影响程度逐渐减弱，此时，反应区的床料已达到充分流化，床层中鼓泡与反混效果较强，反应物停留时间长，反应较充分。且继续增加流化气量对其影响逐渐减弱，表现为转化率曲线的差异性逐渐变校而当流化气量增加至800mL/min时，床层中部分小粒径颗粒已达到气力输送状态，转化速率略有增加。所以，本文试验中流化气量选取达到充分流化时的起始气量为500mL/min。图2流化气量对转化率的影响Fig.2Effectoffluidizationgasflowrateonconversionrate
农业工程学报（http://www.tcsae.org）2019年2382.1.2反应器内温度及压力变化为了判断反应过程的稳定性，对不同热解温度下反应过程中反应区域的温度与压力进行在线监测，图3给出的是650℃时的情况。由图3a可知，在快速热解试验中，主反应区的温度始终在预设温度650℃附近波动，在脉冲进样时，温度波动仅为1.1℃左右，说明流化床内温度基本保持均匀，几乎不受热解反应吸热的影响。所以，本研究所采用的反应系统具有较好的等温特性，可实现玉米秸秆的等温热解反应。由图3b中可知，脉冲进样过程中会造成瞬间的压差波动，而后在极短时间内即可恢复并稳定在10.98kPa左右，说明脉冲进样时对主反应区压力产生的影响较小，基本可以忽略。综上，玉米秸秆在MFBR中催化热解反应过程具有较好的稳定性，这也确保了试验结果的准确性。2.2温度对玉米秸秆热解气相产物析出特性影响玉米秸秆在不同温度下热解气转化率随时间变化情况如图4所示。温度是影响热解过程中多相产物（气体、焦油、焦炭）产率的最主要因素之一。从图4可知，在550～750℃的温度范围内，4种主要气体产物（CO、CO2、CH4、H2）的转化速率都随温度的升高而快速增加，且达到相同转化率所需的时间逐渐缩短，说明高温促进热解反应的进行。此外，所有气体产物的主要转化过程（转化率达到80%）通常需要3～4s，这是因为样品被快速送入到预设床温的流化床反应器中，反应物在高温及强扰动条件下迅速反应，几乎不受产物扩散的影响。a.温度b.压降a.Temperatureb.Pressuredrop图3650℃下流化床内温度和压降变化Fig.3Temperatureandpressuredropchangesinfluidizedbedat650℃a.COb.CO2
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物质热解影响因素及技术研究进展[J]. 胡二峰,赵立欣,吴娟,孟海波,姚宗路,丛宏斌,吴雨浓. 农业工程学报. 2018(14)
[2]微型流化床内碱金属和碱土金属对稻壳热解动力学的影响特性[J]. 郭飞强,刘元,郭成龙,董玉平. 化工学报. 2017(10)
[3]添加剂对生物质热解影响研究[J]. 潘超. 化工管理. 2015(14)
[4]碱/碱土金属对纤维素热解特性的影响[J]. 武宏香,赵增立,张伟,李海滨,何方. 农业工程学报. 2012(04)
[5]玉米秸秆的催化微波裂解及生物油成分[J]. 万益琴,刘玉环,林向阳,杨昌炎,张波,陈灵,雷寒武,阮榕生. 农业工程学报. 2009(04)
[6]新鲜生物质催化热解特性的研究[J]. 闵凡飞,张明旭,陈清如,陈明强. 林产化学与工业. 2008(03)
[7]生物质能研究现状及展望[J]. 周中仁,吴文良. 农业工程学报. 2005(12)
[8]秸秆类生物质热解特性及其动力学研究[J]. 赖艳华,吕明新,马春元,施明恒. 太阳能学报. 2002(02)
硕士论文
[1]微型流化床反应分析仪在生物质热解中的拓展及应用[D]. 毛业兵.山东大学 2016
[2]玉米秸秆热解及在甲醇中的热化学转化研究[D]. 石玉良.太原理工大学 2010
[3]生物质热解动力学研究[D]. 王新运.安徽理工大学 2006
本文编号：3096358
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