【摘要】：微波是靠介質(zhì)的偶極子轉(zhuǎn)向極化和界面極化在微波場中的介電耗損而引起的體內(nèi)加熱,形成比周圍溫度更高的“熱點”,造成加熱速率加快,但對非極性分子不產(chǎn)生加熱效應,這種選擇加熱的方式可以節(jié)省能源；此外,微波場的存在會對分子運動造成取向效應,使反應物分子在連心線上分運動相對加強,造成有效碰撞頻率增加,反應速率加快。由于微波具有上述致熱效應、非致熱效應以及誘導催化效應等作用機理的特殊性,使得微波作為化學反應工程領域的一種新的加熱方式成為可能。如何除去生物質(zhì)氣化過程中的焦油是大規(guī)模應用生物能的關健技術之一,由于生物質(zhì)焦油組成的復雜性,目前,采取的水洗除焦法產(chǎn)生大量二次污染廢水,催化裂解除焦因產(chǎn)生積炭易使催化劑失活,且產(chǎn)生大量廢渣,考慮到焦炭對微波具有良好的吸收性能,且焦炭本身對焦油具有一定的催化裂解性能,而且還有一定的抗積碳能力。因此,能否以碳基材料作為微波吸收載體,在微波選擇加熱的作用下來催化裂解焦油的設想成為本課題研究的來源。本文以焦油模型化合物甲苯和廢異生活油為研究對象,研究了它們在微波加熱方式下的熱裂解行為,考查了不同的碳源、不同的載氣組成、流量等對它們裂解性能的影響,并與它們在常規(guī)電加熱方式下的裂解行為進行對比。具體的研究內(nèi)容如下：1.對比了三種不同吸收微波的活性炭、木炭、竹炭在微波加熱的作用下對模型化合物甲苯的熱裂解行為,實驗研究結(jié)果表明：在顆粒大小、氮載氣流量相同、設定的加熱溫度相同的情況下,用三種不同炭作為吸收微波載體時,其反應濁度均不能上升到指定的溫度,最多只能達到500℃,且溫度波動很大；這主要是因為開始時,甲苯進入反應器中很快氣化,氣化后的甲苯隨載氣一起均布在反應器炭床中,而甲苯由于自身的極性小,不僅自身不能較好地微波,而且還將整個炭床進行了屏蔽作用,阻礙了炭吸收微波而使炭床溫度穩(wěn)定,再加上甲苯裂解為一吸熱反應,導致反應溫度不能達到指定的裂解溫度,因而甲苯裂解低,不能完全裂解。將氮氣換成空氣的情況下,發(fā)現(xiàn)只有活性炭能夠使反應器的溫度始終保持在900℃且穩(wěn)定時間較長,且有較好的裂解效果,這是因為空氣中的氧氣與甲苯或者炭發(fā)生了氧化反應,一方面氧化反應放出熱量；另一方面,因甲苯的氧化或者裂解消去了它對炭床吸收微波的屏蔽作用。因而,在調(diào)節(jié)合適的空氣流量與甲苯的進入量時取得較好的實驗結(jié)果。在微波作用下,當空氣流量為50mL/min時,裂解產(chǎn)生的氣體組份中CO、H2的體積分數(shù)分別是26%、8.36%,兩者之和為34.36%,CO2體積分數(shù)是9.6%,此時空氣流量得到的合成氣的體積分數(shù)最高,二氧化碳的體積分數(shù)較小,且從調(diào)節(jié)空氣流量從30mL/min至60mL/min時,H2含量逐漸升高至26%左右,空氣流量調(diào)至60min/min時,H2體積分數(shù)降至19.95%。此外,對活性炭進行了元素分析、XRD以及SEM相關的分析與表征,發(fā)現(xiàn)木炭結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)塊狀,竹炭雖然孔大但是使反應物難吸附,但活性炭呈現(xiàn)松散的絮云狀,有較大的表面積,且活性炭升溫行為最好,XRD的分析表明,反應前的活性炭含有80-2146二氧化硅和72-2091碳,反應后活性炭有生成新的46-943碳。2.研究了廢棄生活油在不同載氣流量時,產(chǎn)生小分子氣體成分的分布情況,當空氣流量為50mL/min時,H2含量高達35%,當空氣流量為40mL/min時,前段H2含量為26%,后段為8%,當空氣流量為30mL/min時,前段H2含量為32%,后段H2為11%,50mL/min時基本無前后段明顯劃分,通過廢棄生活油的GC-MS分析顯示,絕大部分成分為極性大的物質(zhì),反應過程中溫度的維持時間比甲苯反應的時間長,同樣消除析炭的效果好,廢棄生活油的轉(zhuǎn)化率也非常高,接近100%。3.將傳統(tǒng)加熱方式熱裂解試驗、微波加熱實驗兩者產(chǎn)生氣體成分分布進行了對比,可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)加熱下,空氣流量為30mL/min時,H2最高為8.5%,40mL/min時,CO最高為10.54%,而微波加熱下,H2含量最高為26%,是傳統(tǒng)加熱的三倍多,CO最高為21.22%,是傳統(tǒng)下兩倍多,傳統(tǒng)加熱下,甲苯轉(zhuǎn)化率最高為75.4%,最低為56.3%,而微波加熱下,甲苯轉(zhuǎn)化率最高100%,最低90%,所以微波加熱不僅可以最大限度的提高廢棄有機物的轉(zhuǎn)化率,并且裂解得到的氣體組分高,更傾向于轉(zhuǎn)化成H2和CO。
【學位授予單位】：華中師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TK6

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