微波熱解技術(shù)研究進(jìn)展

第43卷第2期應用化工Vol 43 No. 22014年2月Applied Chemical IndustryFeb.2014專(zhuān)論與綜述3微波熱解技術(shù)研究進(jìn)展趙西成,李兆2,王力,苗波波31.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院陜西西安710052西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院陜西西安71005;3.西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院陜西西安710055)摘要:綜述了國內外關(guān)于微波熱解技術(shù)應用的研究進(jìn)展探討了生物質(zhì)污泥、礦物燃料等通過(guò)微波加熱制取高附加值化學(xué)品的方法及其機理并且微波熱解存在非熱效應是一條值得探索的資源有效利用的高效熱解方法。關(guān)鍵詞:微波熱解;生物質(zhì);污泥;礦物燃料中圖分類(lèi)號:TQ51;T6文獻標識碼:A文章編號1671-3206(2014)02-0343-03Research advances on microwave pyrolysisZHAO Xi-cheng, LI Zhao, WANG Li', MIAO Bo-bo3(1. College of Metallurgical Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an710055,China2. College of Materials and Mineral Resources, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China3. School of Science, Xi an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055,ChinaAbstract: The progress of the application of microwave pyrolysis in China and oversea was reviewed.Themethods and mechanism were introduced about producing high value-added chemicals through microwaveheating of biomass, sludge and fossil fuel. The microwave pyrolysis could be a way worthing tothe efficient fast pyrolysis about resources utilization of validityKey words: microwave pyrolysis; biomass; sludge; fossil fuel微波是一種頻率在300MHz~300GH的電磁稱(chēng)為“體加熱”,使加熱更快速、均勻,大大改善了加波微波加熱是物料在電磁場(chǎng)中將自身吸收的微波熱質(zhì)量。微觀(guān)上,當微波作用到物質(zhì)上時(shí),介質(zhì)材料能轉化為物質(zhì)的熱能屬于體積性加熱。而常規加中會(huì )形成偶極子,已有的偶極子會(huì )重新排列并隨著(zhù)熱時(shí),外部熱源通過(guò)傳導與對流的方式,使熱量由外高頻交變電磁場(chǎng)以每秒高達數億次的速度振動(dòng)。分部傳到內部不僅效率低下,而且導致溫度分布不均子要隨著(zhù)不斷變化的高頻電磁場(chǎng)的方向重新排列,(外高內低)。相比于常規的加熱方式微波加熱具而分子具有一定熱運動(dòng)及分子之間存在相互干擾,有即時(shí)性、整體性、選擇性、高效性和安全無(wú)污染等從而發(fā)生摩擦。在這一微觀(guān)過(guò)程中,微波能量轉化諸多優(yōu)點(diǎn)。微波加熱作為一種全新的加熱方式,已為介質(zhì)的熱量,宏觀(guān)的表現就是介質(zhì)溫度升高。經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應用。與傳統加熱方式相比,微波加熱具有加熱速度1微波熱解的基本原理及特點(diǎn)快、均勻加熱、節能高效、易于控制、能夠選擇性加熱微波加熱作為新的熱能技術(shù)加熱材料內部受并且安全無(wú)害。到微波輻射后材料內部可動(dòng)粒子得以加速運動(dòng),相2微波熱解技術(shù)應用現狀互之間得以碰撞及摩擦后物料內部產(chǎn)生高熱效。而21微波熱解生物質(zhì)在一般高溫熱解方式中,熱量是從表面向內部傳遞生物質(zhì)能是人類(lèi)賴(lài)以生存的重要能源,具有重從而表面的溫度大于內部的溫度。而在微場(chǎng)中溫要地位。對生物質(zhì)進(jìn)行熱解制備得到合成氣、生物度梯度剛好相反,其熱量產(chǎn)生于介質(zhì)內部然后向周油等替代燃料,是當今一個(gè)研究熱點(diǎn)。然而傳統加圍空間散發(fā),表面溫度低于中心溫度。微波加熱又熱方式存在著(zhù)環(huán)境污染、生物質(zhì)能利用水平低等問(wèn)收稿日期:2013-11-17修改稿日期:20131基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2011A05A202)作者簡(jiǎn)介:趙西成(1951-)男河南新鄭人,西安建筑科技大學(xué)教授博士生導師,主要從事材料加工方面的研究。電ie:029-82201750,E-mail:zhaoxjd@163.com應用化工第43卷題。因此,生物質(zhì)的微波加熱等新的加熱方式得到為0.25%,微波時(shí)間8mn時(shí)為最佳條件,此時(shí)吸附了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。目前微波熱解生物質(zhì)劑碘值為303.73mg/L,平均孔徑為2.88mm,比表主要集中在麥秸稈3、玉米秸稈431、廢棄茶葉°、面積為308.1m2/g,對雅格素藍廢水降解脫色率高松木塊及油棕櫚樹(shù)。等生物質(zhì)的應用。達75%。Huang Y F等”進(jìn)行了稻殼微波熱解的研究。Dominguez A等1對污泥進(jìn)行了微波熱解及結果表明,當微波功率500W時(shí),固體產(chǎn)率出現減機理的考察。結果表明,微波熱解污泥并不需要前少,氣體產(chǎn)物主要成分是H2、CO2、CO和CH4等可期干燥減少了大量的能量損耗生成的氣體中含有燃性氣體,且產(chǎn)物中H2含量最高。王賢華進(jìn)行大量的H2和CO,焦油中多環(huán)芳烴含量很低,因此,了鋸末微波熱解的研究,認為微波熱解后的固體產(chǎn)微波熱解在污泥減容問(wèn)題上得到了有效解決,同時(shí)率降低,氣體產(chǎn)物中氫氣和一氧化碳含量更高,二氧固體碳密度較大較低孔隙率及重金屬得到保留,不化碳和甲烷含量較低。會(huì )對環(huán)境造成二次污染。Masakatsu miura等12使用自制微波爐熱解系夏莉2.用微波熱解技術(shù)對不同污水處理廠(chǎng)統熱解木塊和纖維素制取左旋葡萄糖,結果表明,在的污泥進(jìn)行了熱解研究考察了輻照時(shí)間、微波功1500W微波功率下,納米級的木塊在12min左右率、吸波介質(zhì)的加入方式及加入量等因素對產(chǎn)物的完全熱解,焦炭收率在20%,油收產(chǎn)率為30%。影響。結果表明,微波熱解具有高效、快捷和大大減Dominguez A等考察不同溫度下咖啡殼微波熱解少能量消耗的特點(diǎn)對污泥進(jìn)行有效處理的同時(shí),還實(shí)驗微波加熱系統促進(jìn)了油的二次裂解使得小分可以實(shí)現其資源化有效利用。子產(chǎn)物增多,與常規熱解相比微波熱解的氣體產(chǎn)率方琳等22)認為微波能夠快速改善脫水性能,明顯增高。實(shí)驗考察了污泥在130s內沉降及脫水性能的規陳明強等叫采用NaOH、Na2CO3、NaSO3、律,探討污泥粒度分布及相關(guān)機理重點(diǎn)分析污泥結NaCl、TO2、H3PO,Fe2(SO,)3等無(wú)機添加劑進(jìn)行了構的破壞歷程。結果表明,微波對提高污泥脫水的微波熱解松木木屑,結果表明,以上幾種添加劑都可性能、重金屬固定和資源再利用方面具有很大優(yōu)勢明顯提高固體產(chǎn)物產(chǎn)率氫氧化鈉、碳酸鈉和硅酸鈉為無(wú)害化減量化及資源化處理污泥提供了思路。等能夠明顯使得氫氣產(chǎn)率升高。2.3微波熱解礦物燃料Yu fei等的研究了玉米秸稈在微波環(huán)境下熱王擎等243考察了樺甸油頁(yè)巖微波熱解特性。解規律,結果表明,玉米秸稈熱解速度隨微波功率的研究表明,由于油頁(yè)巖不具備吸波特性熱解較為緩增大而顯著(zhù)增強,以焦炭為添加劑,添加量為1%慢。以半焦能為微波吸收劑同油頁(yè)巖共熱解,不同時(shí),能夠使得液體產(chǎn)物的產(chǎn)率提高,堿金氫氧化鈉作比例的油頁(yè)巖和半焦的共熱解特性不同,當半焦加為催化劑能夠使氣體產(chǎn)率增大。入比例增大,油產(chǎn)率增加,半焦產(chǎn)率減小,水分和氣2.2微波熱解污泥體產(chǎn)率相差不大。污泥屬于一種固體廢棄物,成分較為復雜排放馬紅周等0對褐煤在微波場(chǎng)中進(jìn)行了熱解特量很大,污泥中含有難降解的有機物質(zhì)、重金屬及其性研究。結果表明,微波場(chǎng)中溫度達800℃,是一種他有毒有害的物質(zhì)。城市污泥的處理顯得尤為重熱解煤的有效方法,其熱解速度快,熱解后的最終固要,因為得不到妥善處理的污泥占用了大量的土地,體產(chǎn)物與蘭炭成分相似。宋永輝等對長(cháng)焰煤和形成二次污染。因此;對城市污泥的處理及利用是焦煤兩種原料煤進(jìn)行微波共熱解實(shí)驗研究,結果表個(gè)非常重要的課題。微波加熱技術(shù)具有高效、快明,微波熱解條件下,隨著(zhù)混煤中焦煤比例的增大速等特點(diǎn)不會(huì )造成二次污染,被廣泛應用于環(huán)保領(lǐng)焦油回收率逐漸減少,而固體焦的灰分含量與硫含域。王同華等1研究了微波輻照熱解污泥的產(chǎn)物量逐漸增加。組成與結構,結果表明,污泥微波熱解生成的氣體產(chǎn)蘭新哲等進(jìn)行了微波加熱條件下低變質(zhì)煤物中CO和H2的含量占到72%,是可燃性氣體的原和塑料共熱解的實(shí)驗研究,結果表明,隨著(zhù)塑料添加料;液體產(chǎn)物中脂肪族類(lèi)占42%,單苯環(huán)類(lèi)占22%,比例的增大,蘭炭產(chǎn)率逐漸降低,焦油產(chǎn)率明顯提首先能作燃料油使用,其次分離后能獲取很好的化高,當塑料加入量為10%時(shí),焦油產(chǎn)率可達17%。工產(chǎn)品。因此微波熱解使得污泥得到了有效處理,塑料的加入有利于提高焦油的回收率,并且優(yōu)化熱同時(shí)滿(mǎn)足了資源化利用解煤氣成分,對煤氣的進(jìn)一步綜合利用具有重要意袁春燕等利用微波誘導技術(shù)熱解污泥制備義。污泥吸附劑。結果表明,當微波功率400W,投炭量折建梅等對甘肅油頁(yè)巖進(jìn)行了微波熱解的第2期趙西成等:微波熱解技術(shù)研究進(jìn)展345實(shí)驗研究,考察了油頁(yè)巖在微波場(chǎng)中的特性及功率[8] Salema Aa, Ani F n. Microwave induced pyrolysis of oil對油頁(yè)巖、半焦、半餾氣產(chǎn)率和組成的影響。結果表lm biomass [J]. Bioresour Technol, 2011, 102(3)明,隨著(zhù)功率的增大,半焦產(chǎn)率逐漸減小,頁(yè)巖油產(chǎn)33883395率在480W時(shí)達到最大值13.5%,而干餾氣產(chǎn)率在9] Huang Y F, Kuan W h,LosL,etal. Today recovery of480W時(shí)可達10%。resources and energy from rice straw using microwave-induced pyrolysis J]. Bioresource Technology, 2008, 99宋永輝等對采用微波加熱技術(shù)對低變質(zhì)煤與(17):82528258油頁(yè)巖的共熱解特性進(jìn)行探討,通過(guò)cCMS聯(lián)用技[101 Wang X H, Chen H P, Ding X J,eta. Properties of ga術(shù)對液體產(chǎn)物成分進(jìn)行了分析。結果表明,適當配and char from microwave pyrolysis of pine sawdust[J]入低變質(zhì)煤,可提高焦油產(chǎn)率,焦油成分主要是烴類(lèi)bioresources,2009,4(3):946959(50%~80%),其中烷烴和芳香烴居多(40%[11] Masakatsu Miura, Harumi Kaga, Shigenobu Tanaka, et al.50%),其次是少量的以苯酚為主的含氧化合物Rapid microwave pyrolysis of wood[ J]. Joumal of Chemi-3結束語(yǔ)cal Engineeing of Japan, 2000, 33(2): 299-302[12 Masakatsu Miura, Harumi Kaga, Akihiko Sakurai, et al.微波熱解技術(shù)的應用已取得了很多研究成果Rapid pyrolysis of wood block by microwave heating[ J]并且微波對各種化學(xué)反應存在熱效應外,還確實(shí)存Joumal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2004, 71在由微波本身特性以及場(chǎng)的作用等許多因素而產(chǎn)生(1):187-199的非熱效應。與傳統加熱方式相比,微波加熱不僅[13] Dominguez A, Menendez J A, Fernandez y,etl. Conven僅縮短了熱解時(shí)間,綜合耗能也有所降低,可有效降tional and microwave induced pyrolysis of coffee hulls for低成本,具有許多傳統加熱技術(shù)所無(wú)可比擬的優(yōu)勢the production of a hydrogen rich fuel gas[ J] Journal of但該技術(shù)也存在一定的缺點(diǎn),例如微波設備的大型Analytical and Applied Pyrolysis, 2007, 79(1/2): 128化、連續性生產(chǎn)以及微波熱解機理研究不夠系統等因此我們應深入研究微波熱解的微觀(guān)機理,開(kāi)發(fā)適[14]Chen M Q, Wang J, Zhang M X, et al. Catalytic effects ofeight inorganic additives on pyrolysis of pine wood saw宜于熱解的高效、大型的微波反應器,促進(jìn)微波熱解dust by microwave heating[ J]. 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