非木纤维烧碱法制浆黑液直接苛化气化反应机理

与传统黑液燃烧碱回收工艺相比，黑液气化技术具有能源利用率高、输出电热比高、能有效减少污染和温室气体排放等特点，产生燃气可用于发电、供热、合成燃料和化学品领域，是一种较有前景的黑液处理替代技术。非木纤维烧碱法制浆（草浆）黑液传统碱回收效率很低，是制约和困扰我国草浆发展的核心问题。本项目以国内有代表性的麦草、蔗渣等草浆黑液为研究对象，以直接苛化水蒸气气化制备合成气为技术路线，研究黑液中碱木素大分子化学结构、矿质元素等对黑液热解过程的影响；探索直接苛化气化条件下有机碳转化、产物形成和调控途径；阐述草浆黑液中Si、Ca、Mg、K、Al等非过程元素富集对直接苛化效率的影响；揭示草浆黑液直接苛化气化机理；在碱木素热解应答机制、非过程元素富集规律研究方面具有创新。草浆黑液气化理论尚比较缺乏，预期成果可为草浆黑液气化工艺优化设计提供理论依据，推动我国造纸黑液气化技术的发展，具有重要理论研究意义和应用前景。

非木纤维制浆黑液在碱回收工段遇到较严重的硅干扰问题，因此碱回收运行效果始终不如木浆黑液。气化及直接苛化是较有前景的黑液处理新技术，在国内外受到广泛关注。气化和直接苛化技术应用于麦草等非木纤维黑液的相应机理问题尚不明确。本项目的主要研究内容包括：黑液的基本物化性质；黑液三类主要有机组分碱木质素、聚糖、木质素碳水化合物复合体的热解气化产物形成规律；黑液热解气化及其与石油焦共气化特性；黑液的二氧化钛直接苛化气化特性；有机和无机结合钠对黑液主要有机组分木质素在热解气化时的不同催化作用；黑液中的硅元素与直接苛化剂的相互作用及直接苛化剂的循环；黑液气化工艺和基础研究实验平台建设。主要研究结果如下：(1) 热值较低、硅含量较高是一般非木纤维黑液的共性，此外，以麦草浆黑液为例，其碱木质素大分子结构含有较多愈创木基型和紫丁香基型结构单元，结构单元间主要以β-O-4烷基芳基醚键、β-和β-5型等形式联接。(2) 黑液三类主要有机组分的热解焦油组成差异较大，碱木质素热解焦油主要成分为酚类和酸类物质，聚糖热解焦油主要为呋喃类和酮类物质，木质素-碳水化合物复合体热解焦油组成兼具前述二组分的特点。(3) 由于黑液无机物的催化作用，石油焦的引入显著提高了共气化产气的热值，而石油焦的石墨碳属性使其在相应条件下单独气化十分困难。(4) 黑液中的无机结合钠可促进酚羟基脱除导致醚类物质产率的增加，有机结合钠可促进烷基取代基断裂、抑制烷基愈创木酚和烷基苯酚的形成，二者对半焦的催化作用机理亦具有差异。(5) 直接苛化剂二氧化钛的引入由于抑制了熔融现象的发生因而间接提高了气化碳转化率。(6) 二氧化钛既与黑液中的碳酸钠发生脱碳反应生成钛酸钠，又可与硅酸钠结合生成硅钛酸钠复合盐，这种复合盐的形成一定程度上将消耗起始直接苛化剂二氧化钛，但当直接苛化进入循环阶段时，这种消耗作用趋于减弱，循环实验没有发现显著的直接苛化剂损失。(7) 探索了多种气化方案，包括不同进料方式，不同炉型、不同供风方式等，并建立了连续化实验平台。通过本项目的研究可望为黑液的热化学处理及高附加值利用等研究提供一定的参考依据。