论文总字数：39219字

摘 要

当今社会，能源主要来自化石燃料的燃烧放热，造成了严重的环境污染。随着社会的飞速发展，能源消耗量急剧增加，化石能源日益减少，亟需寻找一种新的能源。生物质作为一种环境友好的可再生能源，受到众多学者的关注。其中生物质热解具备很好的发展前景，通过各类分子筛作为催化剂，热解的生物油品质提高，尤其是芳香烃等化工产品产率提高。

本文主要探究了不同分子筛催化剂对玉米芯热解产物的影响，制备了不同的复合分子筛催化剂，通过HZSM-5微孔分子筛催化剂进行改性，组装MCM-41介孔分子筛催化剂，改性条件包括不同碱浓度以及在最佳碱浓度下的不同陈化、结晶时间。在Py-GC/MS进行快速催化热解实验以及在微波热解反应器进行热解实验，并对产物进行分析，研究这些改性条件对热解的影响。

实验结果显示，使用碱改性分子筛有利于提高芳香烃的产率，同时随着碱浓度的增加，在NaOH浓度为2.0mol/L时芳香烃的产率最高且含氧化合物的产率最低。在芳香烃的选择性方面，碱浓度对选择性的影响主要在于浓度越高，改性后分子筛平均孔径越大，越有利于分子直径较大的产物生成。而陈化时间、结晶时间对芳香烃产率以及其选择性的影响不明显。

本文对微波辅助生物质热解制油系统中试方案进行了初步的设计。生物质处理量为300kg/h.。涉及内容包括微波热解炉、气固分离装置、生物油冷凝收集装置等部分的设计。

关键词：微波，复合分子筛，生物质催化热解，芳香烃产率

Abstract

In today's society, energy comes from fossil fuels mainly. However, with the rapid development of society, energy consumption has increased sharply, fossil energy has been reduced and caused serious environmental pollution, which forces human to find a new renewable energy. As an environmentally friendly renewable energy source, biomass energy has attracted the interest of many scholars. Among them, biomass pyrolysis has very good prospects for development. Through the use of various types of molecular sieves as catalysts, the quality of pyrolyzed bio-oil is improved, especially the yield of chemical products such as aromatic hydrocarbons.

This article mainly explored the influence of different molecular sieve catalysts on the pyrolysis products of corn cobs, prepared different composite molecular sieve catalysts, modified them through HZSM-5 microporous molecular sieve catalysts, and assembled MCM-41 mesoporous molecular sieve catalysts.The modification conditions included different alkali concentrations and different aging and crystallization times under optimal alkali concentration. A rapid catalytic pyrolysis experiment was performed on Py-GC/MS and pyrolysis experiments were performed in a microwave pyrolysis reactor. The products were analyzed and the effect of these modifying conditions on the pyrolysis was investigated.

The experimental results show that the use of alkali-modified molecular sieves is beneficial to improve the yield of aromatic hydrocarbons. With the increase of alkali concentration, the yield of aromatic hydrocarbons is the highest and the yield of oxygenated compounds is the lowest when the concentration of NaOH is 2.0 mol/L. In terms of the selectivity of aromatic hydrocarbons, the effect of alkali concentration on the selectivity is because the higher the concentration, the larger the average pore size of the modified molecular sieve, which is more conducive to the formation of products with larger molecular diameters. The aging time and crystallization time had no obvious effect on the yield of aromatics and their selectivity.

In this paper, a preliminary design of a pilot project for the microwave-assisted biomass pyrolysis oil production system is carried out. The biomass throughput is 300kg/h. The involved contents include the design of microwave pyrolysis furnaces, gas-solid separation devices, and bio-oil condensation collection devices.

KEY WORDS: Microwave,composite molecular sieve, biomass catalytic pyrolysis, aromatic hydrocarbon yield

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 生物质及其转化技术 1

1.2.1 生物质概述 1

1.2.2 生物质热转化技术 1

1.3 生物质热解反应器 3

1.4 微波辅助生物质催化热解制油研究现状 4

1.4.1 催化剂的类型 4

1.4.2 微波吸收剂的类型 6

1.5 研究目的和研究内容 6

1.5.1 研究目的 6

1.5.2 研究内容 6

1.6 技术路线 7

第二章 HZSM-5/MCM-41复合分子筛制备及Py-GC/MS催化热解实验研究 9

2.1 实验材料和方法 9

2.1.1 实验材料 9

2.1.2 实验方法 9

2.2 催化剂对玉米芯催化热解影响研究 10

2.2.1 催化剂对玉米芯热解产物分布的影响 10

2.3 不同碱浓度改性对玉米芯催化热解影响研究 11

2.3.1 碱改性对玉米芯热解产物分布的影响 11

2.3.2 碱改性对玉米芯热解含氧化合物的影响 12

2.3.3 碱改性对玉米芯热解芳香烃选择性的影响 13

2.4 陈化、结晶时间对玉米芯催化热解影响研究 14

2.4.1 陈化、结晶时间对玉米芯热解产物分布的影响 15

2.4.2 陈化、结晶时间对玉米芯热解芳香烃选择性的影响 16

2.5 本章小结 17

第三章 微波催化热解实验研究 18

3.1 微波催化热解 18

3.2 碱浓度对玉米芯微波催化热解影响研究 18

3.2.1 碱改性对玉米芯微波热解碳氢化合物分布的影响 18

3.2.2 碱改性对玉米芯微波热解芳香烃选择性的影响 19

3.3 陈化、结晶时间对玉米芯微波催化热解影响研究 19

3.3.1 陈化、结晶时间对玉米芯微波热解产物分布的影响 19

3.3.2 陈化、结晶时间对玉米芯微波热解芳香烃选择性的影响 20

3.4 本章小结 21

第四章 微波辅助生物质催化热解制油中试系统设计 22

4.1 设计方案 22

4.2 生物质预处理和进料装置 23

4.3 微波辅助生物质热解炉设计基本参数的确定 23

4.3.1 热解反应的温度 23

4.3.2 生物质原料的粒径 24

4.4 微波辅助生物质热解炉设计 24

4.4.1 微波吸收剂 24

4.4.2 微波热解炉炉体设计 24

4.5 气固分离装置 25

4.6 冷凝收集系统 26

4.6.1 喷淋冷却塔 27

4.6.2 间接换热器 28

4.7 本章小结 31

第五章 总结与展望 32

5.1 总结 32

5.2 展望 33

致谢 34

参考文献 35

绪论

1.1研究背景

人类文明的进步往往伴随着能源应用对象以及方式的改变，旧有的能源供应规模和方式限制了当前人类文明的发展，人类被迫寻找更合适的替代品，如煤炭代替传统的木材。而整体上看，当前人类社会的能源主要来自于石油、煤以及天然气等化石燃料，但由于化石燃料的不可再生以及燃烧时产生的CO₂、大量污染气体（SOx、NOx等）及颗粒物，人类将面临至少两个无可避免的问题：能源紧缺、环境污染以及温室效应。目前有使用核能暂时替代化石燃料的方案，尽管核能的理论储量非常丰富，核电站正常运行时污染远低于火电站，不过核能的应仍用有着巨大的风险，日本的核电站技术已经比较纯熟，但无论再小心，当突发性某些自然灾害（地震、海啸等）时，仍然出现了核泄漏。

所以，日益严峻的能源紧缺和日益加重的环境污染问题这一形势，迫使着人类去寻找更合适的能源替代品——可再生的清洁能源，而利益相关性不大的温室效应并没有被人们重点关注。生物质能是指绿色植物将太阳能经过光合作用转化储存于自身生物组织中的化学能。与水能、风能、潮汐能、地热能对地理地质要求严格以及太阳能的高成本相比，生物质能由于其存在广泛，储量丰富，利用起点低，能在一定程度上缓解能源危机。所以，因为生物质能的可再生以及其环境友好的特性，其成为众多研究者关注的对象。从环境影响角度来看，生物质是一种二氧化碳中性的能源，生物质在利用过程中会释放出二氧化碳，但生物质再生时，光合作用又会消耗二氧化碳，两者相抵^[1]。而且生物质主要由C、H、O、N组成，与煤相比，含硫量少，对环境的污染相对更小。从我国的国情来看，我国是农业大国，生物质能种类丰富，储量巨大，主要包括各类农林业废弃物和城市生活垃圾等。仅大田作物秸秆年平均产量就达7.4亿t ^[2]。

1.2生物质及其转化技术

1.2.1生物质概述

一般，木质纤维素一类的生物质主要由三种聚合体纤维素、半纤维素和木质素以及少量灰分和提取物组成^[3]。

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