微波热解技术研究进展

第43卷第2期应用化工Vol 43 No. 22014年2月Applied Chemical IndustryFeb.2014专论与综述3微波热解技术研究进展赵西成,李兆2,王力,苗波波31.西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710052西安建筑科技大学材料与矿资学院陕西西安71005;3.西安建筑科技大学理学院陕西西安710055)摘要:综述了国内外关于微波热解技术应用的研究进展探讨了生物质污泥、矿物燃料等通过微波加热制取高附加值化学品的方法及其机理并且微波热解存在非热效应是一条值得探索的资源有效利用的高效热解方法。关键词:微波热解;生物质;污泥;矿物燃料中图分类号:TQ51;T6文献标识码:A文章编号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微波是一种频率在300MHz~300GH的电磁称为“体加热”,使加热更快速、均匀,大大改善了加波微波加热是物料在电磁场中将自身吸收的微波热质量。微观上,当微波作用到物质上时,介质材料能转化为物质的热能属于体积性加热。而常规加中会形成偶极子,已有的偶极子会重新排列并随着热时,外部热源通过传导与对流的方式,使热量由外高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度振动。分部传到内部不仅效率低下,而且导致温度分布不均子要随着不断变化的高频电磁场的方向重新排列,(外高内低)。相比于常规的加热方式微波加热具而分子具有一定热运动及分子之间存在相互干扰,有即时性、整体性、选择性、高效性和安全无污染等从而发生摩擦。在这一微观过程中,微波能量转化诸多优点。微波加热作为一种全新的加热方式,已为介质的热量,宏观的表现就是介质温度升高。经在很多领域得到应用。与传统加热方式相比,微波加热具有加热速度1微波热解的基本原理及特点快、均匀加热、节能高效、易于控制、能够选择性加热微波加热作为新的热能技术加热材料内部受并且安全无害。到微波辐射后材料内部可动粒子得以加速运动,相2微波热解技术应用现状互之间得以碰撞及摩擦后物料内部产生高热效。而21微波热解生物质在一般高温热解方式中,热量是从表面向内部传递生物质能是人类赖以生存的重要能源,具有重从而表面的温度大于内部的温度。而在微场中温要地位。对生物质进行热解制备得到合成气、生物度梯度刚好相反,其热量产生于介质内部然后向周油等替代燃料,是当今一个研究热点。然而传统加围空间散发,表面温度低于中心温度。微波加热又热方式存在着环境污染、生物质能利用水平低等问收稿日期:2013-11-17修改稿日期:20131基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011A05A202)作者简介:赵西成(1951-)男河南新郑人,西安建筑科技大学教授博士生导师,主要从事材料加工方面的研究。电ie:029-82201750,E-mail:zhaoxjd@163.com应用化工第43卷题。因此,生物质的微波加热等新的加热方式得到为0.25%,微波时间8mn时为最佳条件,此时吸附了越来越多的关注和研究。目前微波热解生物质剂碘值为303.73mg/L,平均孔径为2.88mm,比表主要集中在麦秸秆3、玉米秸秆431、废弃茶叶°、面积为308.1m2/g,对雅格素蓝废水降解脱色率高松木块及油棕榈树。等生物质的应用。达75%。Huang Y F等”进行了稻壳微波热解的研究。Dominguez A等1对污泥进行了微波热解及结果表明,当微波功率500W时,固体产率出现减机理的考察。结果表明,微波热解污泥并不需要前少,气体产物主要成分是H2、CO2、CO和CH4等可期干燥减少了大量的能量损耗生成的气体中含有燃性气体,且产物中H2含量最高。王贤华进行大量的H2和CO,焦油中多环芳烃含量很低,因此,了锯末微波热解的研究,认为微波热解后的固体产微波热解在污泥减容问题上得到了有效解决,同时率降低,气体产物中氢气和一氧化碳含量更高,二氧固体碳密度较大较低孔隙率及重金属得到保留,不化碳和甲烷含量较低。会对环境造成二次污染。Masakatsu miura等12使用自制微波炉热解系夏莉2.用微波热解技术对不同污水处理厂统热解木块和纤维素制取左旋葡萄糖,结果表明,在的污泥进行了热解研究考察了辐照时间、微波功1500W微波功率下,纳米级的木块在12min左右率、吸波介质的加入方式及加入量等因素对产物的完全热解,焦炭收率在20%,油收产率为30%。影响。结果表明,微波热解具有高效、快捷和大大减Dominguez A等考察不同温度下咖啡壳微波热解少能量消耗的特点对污泥进行有效处理的同时,还实验微波加热系统促进了油的二次裂解使得小分可以实现其资源化有效利用。子产物增多,与常规热解相比微波热解的气体产率方琳等22)认为微波能够快速改善脱水性能,明显增高。实验考察了污泥在130s内沉降及脱水性能的规陈明强等叫采用NaOH、Na2CO3、NaSO3、律,探讨污泥粒度分布及相关机理重点分析污泥结NaCl、TO2、H3PO,Fe2(SO,)3等无机添加剂进行了构的破坏历程。结果表明,微波对提高污泥脱水的微波热解松木木屑,结果表明,以上几种添加剂都可性能、重金属固定和资源再利用方面具有很大优势明显提高固体产物产率氢氧化钠、碳酸钠和硅酸钠为无害化减量化及资源化处理污泥提供了思路。等能够明显使得氢气产率升高。2.3微波热解矿物燃料Yu fei等的研究了玉米秸秆在微波环境下热王擎等243考察了桦甸油页岩微波热解特性。解规律,结果表明,玉米秸秆热解速度随微波功率的研究表明,由于油页岩不具备吸波特性热解较为缓增大而显著增强,以焦炭为添加剂,添加量为1%慢。以半焦能为微波吸收剂同油页岩共热解,不同时,能够使得液体产物的产率提高,碱金氢氧化钠作比例的油页岩和半焦的共热解特性不同,当半焦加为催化剂能够使气体产率增大。入比例增大,油产率增加,半焦产率减小,水分和气2.2微波热解污泥体产率相差不大。污泥属于一种固体废弃物,成分较为复杂排放马红周等0对褐煤在微波场中进行了热解特量很大,污泥中含有难降解的有机物质、重金属及其性研究。结果表明,微波场中温度达800℃,是一种他有毒有害的物质。城市污泥的处理显得尤为重热解煤的有效方法,其热解速度快,热解后的最终固要,因为得不到妥善处理的污泥占用了大量的土地,体产物与兰炭成分相似。宋永辉等对长焰煤和形成二次污染。因此;对城市污泥的处理及利用是焦煤两种原料煤进行微波共热解实验研究,结果表个非常重要的课题。微波加热技术具有高效、快明,微波热解条件下,随着混煤中焦煤比例的增大速等特点不会造成二次污染,被广泛应用于环保领焦油回收率逐渐减少,而固体焦的灰分含量与硫含域。王同华等1研究了微波辐照热解污泥的产物量逐渐增加。组成与结构,结果表明,污泥微波热解生成的气体产兰新哲等进行了微波加热条件下低变质煤物中CO和H2的含量占到72%,是可燃性气体的原和塑料共热解的实验研究,结果表明,随着塑料添加料;液体产物中脂肪族类占42%,单苯环类占22%,比例的增大,兰炭产率逐渐降低,焦油产率明显提首先能作燃料油使用,其次分离后能获取很好的化高,当塑料加入量为10%时,焦油产率可达17%。工产品。因此微波热解使得污泥得到了有效处理,塑料的加入有利于提高焦油的回收率,并且优化热同时满足了资源化利用解煤气成分,对煤气的进一步综合利用具有重要意袁春燕等利用微波诱导技术热解污泥制备义。污泥吸附剂。结果表明,当微波功率400W,投炭量折建梅等对甘肃油页岩进行了微波热解的第2期赵西成等:微波热解技术研究进展345实验研究,考察了油页岩在微波场中的特性及功率[8] Salema Aa, Ani F n. Microwave induced pyrolysis of oil对油页岩、半焦、半馏气产率和组成的影响。结果表lm biomass [J]. Bioresour Technol, 2011, 102(3)明,随着功率的增大,半焦产率逐渐减小,页岩油产33883395率在480W时达到最大值13.5%,而干馏气产率在9] Huang Y F, Kuan W h,LosL,etal. Today recovery of480W时可达10%。resources and energy from rice straw using microwave-induced pyrolysis J]. Bioresource Technology, 2008, 99宋永辉等对采用微波加热技术对低变质煤与(17):82528258油页岩的共热解特性进行探讨,通过cCMS联用技[101 Wang X H, Chen H P, Ding X J,eta. Properties of ga术对液体产物成分进行了分析。结果表明,适当配and char from microwave pyrolysis of pine sawdust[J]入低变质煤,可提高焦油产率,焦油成分主要是烃类bioresources,2009,4(3):946959(50%~80%),其中烷烃和芳香烃居多(40%[11] Masakatsu Miura, Harumi Kaga, Shigenobu Tanaka, et al.50%),其次是少量的以苯酚为主的含氧化合物Rapid microwave pyrolysis of wood[ J]. Joumal of Chemi-3结束语cal Engineeing of Japan, 2000, 33(2): 299-302[12 Masakatsu Miura, Harumi Kaga, Akihiko Sakurai, et al.微波热解技术的应用已取得了很多研究成果Rapid pyrolysis of wood block by microwave heating[ J]并且微波对各种化学反应存在热效应外,还确实存Joumal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2004, 71在由微波本身特性以及场的作用等许多因素而产生(1):187-199的非热效应。与传统加热方式相比,微波加热不仅[13] Dominguez A, Menendez J A, Fernandez y,etl. Conven仅缩短了热解时间,综合耗能也有所降低,可有效降tional and microwave induced pyrolysis of coffee hulls for低成本,具有许多传统加热技术所无可比拟的优势the production of a hydrogen rich fuel gas[ J] Journal of但该技术也存在一定的缺点,例如微波设备的大型Analytical and Applied Pyrolysis, 2007, 79(1/2): 128化、连续性生产以及微波热解机理研究不够系统等因此我们应深入研究微波热解的微观机理,开发适[14]Chen M Q, Wang J, Zhang M X, et al. Catalytic effects ofeight inorganic additives on pyrolysis of pine wood saw宜于热解的高效、大型的微波反应器,促进微波热解dust by microwave heating[ J]. Journal of Analytical and早日应用于工业化生产。Applied Pyrolysis, 2008, 82(1): 145-150.参考文献:[15] Yu Fei, Ruan Roger, Deng Shaobo, et al. Microwave pyrol-ysis of biomass[ J]. ASABE Annual International Meet[1]杨伯伦,贺拥军微波加热在化学反应中的应用进展ing,2006(7):9-12.[J].现代化工,2001,21(4):912[16]王同华,胡俊生,夏莉,等.微波热解污泥及产物组成[2]牟群英,李贤军微波加热技术的应用与研究进展的分析[J.沈阳建筑大学学报,2008,24(4):66266J]物理,2004,33(6):43842[17]袁春燕,王鹏潘维倩微波诱导热解污泥制备吸附剂[3 Budarin V L, Clark J H, Lanigan B A. The preparation of的研究[J]哈尔滨工业大学学报,2008,40(4):568-high-grade bio-oils through the controlled low temperature570microwave activation of wheat straw J]. Bioresource [18] Dominguez A, Menendez J A, Inguanzo M, et al. Investiga-Technology,2009,100(23):60646068.tions into the characteristic of oils produced from micro[4] Wan Y Q, Chen P, Zhang B Microwave-assisted pyrolysiswave pyrolysis of sewage sludge [J]. Fuel Processing[J]Technology,2005,86(9):1007-1020Joumalof Analytical and Applied Pyrolysis, 2009, 86 [19] Menendez J A, Dominguez A, Inguanzo M, et al. Micro(1):161-167wave-induced drying, pyrolysis and gasification( MWD.[5] Lei H W, Ren Julson S J. The effect of reaction tempera-[JJ. Jourmal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2005, 74ture and time and particle size of corn stover on micro-(1):406412wave pyrolysis [J]. Energy Fuels, 2009, 23(6): 3254.[20] Dominguez A, Menendez J A, Inguanzo M, et al. Produc-3261tion of bio-fuels by high temperature pyrolysis of sewage[6] Yagmur E, Ozmak M, Aktas Z. A novel method for pro-conventional and microwave heating [J]duction of activated carbon from waste tea by chemical ac-Bioresource Technology, 2007, 97(10): 1185-1193tivation with microwave energy[].Fue,0887(2):[21]夏莉微波热解污泥及其产物组成的分析D]大连:3278-3285大连理工大学,2008[7] Robinson J P, Kingman S W, Barranco F. Microwave py[22]方琳,田禹,武伟男微波高温热解污水污泥各态产物lysis of wood pellets[ J]. Ind Eng Chem Res, 2010, 49特性分析[J].安全与环境学报,2008,8(1):2933.(1):459463(下转第352页)352应用化工第43卷[18]Zhou Y, Chu K, Zhen H, et al. Visualizing Hg.ions inCrand Hg" by a naphthalimide - rhodamine based nluo-living cells using a FRET-based fluorescent sensor[J]rescent probe[ J]. Inorg Chem, 2012, 51(3): 1769-1777Spectrochim Acta Part A, 2013, 106: 197-20229 Luxami V, Verma M, Rani R, et al. FRET-based ratiomet[19 Yuan L, Lin W, Zheng K, et al. FRET-based small-mole-ric detection of Hg and biothiols using naphtalicule fluorescent probes Rational design and bioimaginghodamine dyads[ J]. Org Biomol Chem, 2012, 10:8076applications[J]. Acc Chem Res, 2013, 46(7):1462[30 Li C Y, Zhou Y, LiY F, et al. Efficient FRET-based color[20] Chen Q, Zhang X, Sun Y, et al. Highly sensitive fluores-metric and ratiometric fluorescent chemosensor for Arcent protein Fret detection using optofluidic lasers[J]in living cells[ J]. Sen Actuators B, 2013, 186: 360-366Lab Chip,2013,13:2679268l[31 Chereddy N R, Thennarasu S, Mandal A B A hi[21]乔丽基于罗丹明及萘酰亚胺衍生物的新型阳离子荧lective and efficient single molecular FRET based sensor光分子探针的设计与合成[D].长沙:湖南大学,2009for ratiometric detection of Feions[J]. Analyst, 2013138:1334-1337[22] Kim H N, Lee M H, Kim H J, et al. A new trend in rhoda- [32] Wang Q, Li C, Zou Y, et al. A highly selective fluores-mine-based chemosensors: Application of spirolactamcence sensor for Tin( Sn")and its application in ima-ring-opening to sensing ions[J]. Chem Soc Rev, 2008ging live cells[J]. Org Biomol Chem, 2012, 10: 674037:1465-1472[23] Beija M, AfonsoC A M, Martinho J M G Synthesis and [33] Zhou Z G, Yu M X, Yang H FRET-based sensor for ima-applications of rhodamine derivatives as fluorescentging chromium(Ill)in living cells[J]. Chem Communprobes[ J]. Chem Soc Rev, 2009, 38: 2410-2432008,3387-3389[24] Liu B, Tian H A selective fluorescent ratiometric chemo- [34] Bojinov V, Venkova A, Georgiev N Synthesis and energy-dosimeter for mercury ion J]. Chem Commun, 2005transfer properties of fluorescence sensing bichromophoric31563158system based on Rhodamine 6G and 1, 8-naphthalimide[25]Liu B, Tian H. A ratiometric fluorescent chemosensor for[J]. Sens Actuators B, 2009, 143(1):42-49fluoride ions based on a proton transfer signaling mecha- [35] Georgiev N, Bojinov V, Venkova A Design, synthesis andnism[J].J Mater Chem, 2005,15: 2681-2686pH sensing properties of novel PAMAM light-harvesting[26] Zhao Q, Cao T Y, Li F Y, et al. a highly selective anddendrons based on rodamine 6G and 1.8multisignaling optical-electrochemical sensor for Hg[J]. J Fluoresc,2013,23(3):459471basedt iridium( Ill)complex[J]. [ 36] Georgiev N, Asini A, Bojinov V, et al. A pH sensitive andOrganometallics,.2007,26(8):2077-2081elective ratiometric PAMAM wavelength-shifting bic[27] Liu Y, Li X, Zhao Y. A naphthalimideerhodamine ratio-mophonic system based on PET, FRET and ICT [J].Dyesmetric fluorescent probe for Hg based on fluorescencePgm,2014,102:3545.resonance energy transfer[ J]. Dyes Pigm, 2012, 92: 909. [37] Fan J, Lin C, Li H, et al. A ratiometric lysosomal ph che-915mosensor based on Fluorescence resonance energy transfer[28 Mahato P, Saha S, Suresh E, et al. Ratiometric detection of[J]. Dyes Pigm,2013,9(3):620626(上接第345页)27]宋永辉苏婷,兰新哲等微波场中长焰煤与焦煤共热[23]方琳微波能作用下污泥脱水和高温热解的效能与机解实验研究[J.煤炭转化,2011,34(3):7-11制[D]哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007[28]兰新哲,刘巧妮,宋永辉.低变质煤与塑料微波共热解[24]王擎桓现坤刘洪鹏等桦甸油页岩的微波干馏特性研究[J].煤炭转化,2012,35(1):16-19[J].化工学报,2008,59(5):12881293[29]折建梅宋永辉,兰新哲微波功率对油页岩热解的影[25]王擎桓现坤寇震等微波厂中油页岩及半焦升温特响[J]煤洁净技术,2011,17(5):669性[J].微波学报,2009,25(1):9296[30]宋永辉折建梅,兰新哲等微波厂中低变质煤和油页[26]马红周,王耀宁,兰新哲微波热解煤的实验研究[J]岩的热解[]煤炭转化,2012,35(4):2226煤洁净技术,2009,15(4):5455