制浆黑液超临界水气化制氢的反应过程研究

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制浆黑液是制浆造纸过程中产生的一种具有污染性非常严重的废弃物,如何实现其资源化处理一直是人们研究的热点。普通的生物化学处理方法,处理结果不令人满意并且耗费较大,因此制浆黑液经常被偷偷排放而造成水体的污染。其实,黑液中大量的有机物蕴藏着不少能量,对其合理利用不仅可以治理污染,而且可以获得能源。超临界水气化法是一种新兴的气化方法,是复杂难处理的有机物污染物的一个理想处理方法。  本文利用间歇式超临界水气化装置对制浆黑液超临界水气化过程进行研究,重点考察温度、压力、停留时间及初始物料浓度四个因素对气化结果的影响及最优工艺条件组合,为中试系统设计提供参考。主要研究内容及结果如下:⑴通过幂指数方程法推导超临界水气化动力学方程式,其中假设反应为一级反应,利用origin软件对不同时间停留对应的COD去除率进行线性拟合,印证了一级反应的假设,并且得到不同温度的反应速率常数k;再通过Arrhenius图的线性拟合,得到活化能Eα=47.07kJ/mol,指前因子k0=135.59s-1。⑵在反应过程单变量影响因素的实验研究发现,温度对制浆黑液超临界水气化影响最大,随着温度从400℃升高到550℃,H2体积分数从47.03%下降到44.22%,黑液的COD去除率从41.32%升高到90.51%。压力从23MPa到27MPa,H2的体积分数下降了3.86%,COD去除率提高了3.08%。随停留时间从10s增加到25s,H2体积分数降低了2.45%,COD去除率提高了17.72%。当浓度从9wt%降到3wt%,上述两个指标分别上升了13.01%和9.36%。⑶通过四因素三水平正交实验和极差分析得到,对H2体积分数影响大小的因素顺序依次是:物料浓度>温度>停留时间>压力;对COD去除率影响大小的因素顺序依次是:温度>物料浓度>停留时间>压力。实验最优工艺条件组合为500℃,23MPa,30s,3wt%。⑷基于实验结果,以制浆黑液为处理对象,研究设计了超临界水气化中试系统的工艺过程,并对部分设备进行了初步的设计计算,获得了主要的参数。该中试系统的设计温度为500℃,设计压力为25MPa,处理量为1t/d,反应器的体积为19.4L。
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