烟草废弃物热解炭化过程中焦油脱除的研究
近年来我国化石燃料不足和环境污染等问题日益严重,有效利用可再生能源已迫在眉睫。每年香烟行业会产生大量的烟草废弃物。烟草废弃物富含木质素、纤维素、半纤维素、果胶和具有高含量的钾、钠、钙、铝等无机金属元素，是优质的生物质原料。烟草废弃物热解能够得到热解气、生物碳以及热解焦油。热解气中含有H2、CO、CH4以及其他小分子烃类，具有较高热量价值;生物碳不仅能固碳减排，还可以返回农田起到肥料的作用;而热解焦油含量高、组成复杂，难以利用，且容易导致设备结焦而搁浅或运行不畅。另外，热解时从烟草废弃物中溢出的钾元素在高温下熔融及挥发容易导致设备结渣及腐蚀。因此，解决烟草废弃物热解炭化过程中焦油和钾元素逸出导致的设备结焦和腐蚀结渣是企业面临的重要技术难题。 本研究以烟草废弃物中的烟叶和烟梗为原料，使用两段式固定床反应器进行热解研究，其中，第一段用作原料的热解(300-650℃),第二段用作热解挥发分的热裂解(650-800℃)或催化裂解。使用的催化剂包括氧化物催化剂TiO2和分子筛催化剂(β(60H)、HY、HZSM-5)。本文研究了不同工艺条件下的产物收率，并对热解产物(气体/液体/固体)进行详细讨论，主要结论如下:: (1)烟梗与烟叶的的气液固三相收率变化趋势基本保持一致，烟梗的液体收率更低(30-32％)。无机气体主产物为CO和CO2，有机气体主产物为甲烷和乙烷。烟梗在650℃下焦油收率最低为8.3 wt.％。轻质焦油收率最高仅为1.0 wt.％,大部分焦油仍然以重质组分形式存在。 (2)提高烟梗挥发物的裂解温度(600-800℃)有利于促进气体产物的生成。且热解温度由450℃提升至600℃后气体收率由30.0 wt.％提高至43.8 wt.％。但高温下热解可能导致钾元素的挥发，因此需要控制低温热解条件(300-450℃)。挥发物高温裂解有利于促进甲烷和乙烯的生成，300℃的低温热解与800℃裂解挥发物所产生的的焦油仅为0.9 wt.％。焦油收率降低至1.0 wt.％以下，焦油脱除效果最佳。 (3)分子筛催化剂(HZSM-5/HY/β(60H))与氧化物催化剂TiO2总体上对于烟草挥发物气体的生成影响不大。在所用的催化剂中，HZSM-5和HY型催化剂脱焦油效果相对较好，β(60H)与TiO2脱除焦油效果不明显，HZSM-5和HY型催化剂可以在相同条件降低焦油收率1.0-1.2 wt.％左右，焦油总含量分别降低25.0 ％和30.9 ％。 (4)分析了烟梗固体残焦的有机/无机元素以及官能团随热解温度的变化规律。随一段热解温度提高，反应后的固体残焦中H/C由1.8逐渐降低至0.3,固体残焦中碳酸盐(K2CO3/CaCO3)挥发和钾元素的释放加剧。300-500℃时钾元素释放量低于10 ％,在750℃时钾元素释放量已超过20％,应在较低热解温度(≤500℃）下进行一段热解，避免金属元素的挥发。
烟草废弃物;热解炭化过程;脱除焦油;钾迁移
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
刘清雅
2023
中文
X795;X705
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）