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基于组分分析的生物质热解特性实验研究

作　者: 王芸
导　师: 罗永浩；胡瓅元
学　校: 上海交通大学
专　业: 热能工程
关键词: 生物质纤维素半纤维素木质素热解
分类号: TK6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

人类社会当前面临着能源短缺和环境污染两大难题,开发利用生物质能源是实现可持续发展的最重要途径之一。在众多生物质能利用技术之中,热解技术得到了广泛的关注。生物质的物理化学性质较为复杂,传统的工业分析、元素分析等方法难以适用于生物质热解的研究。一些学者从纤维素、半纤维素和木质素三种组分的角度探索新的生物质热解机理,但目前的文献报道对于能否以三组分的简单叠加研究生物质热解仍然存在争议。因此,本文以松木、稻秆、纤维素、木聚糖（半纤维素代表物）和木质素为原料,针对三种组分热解过程中的相互作用机理及其与原始生物质热解的对应关系展开深入研究,获得了三种组分的热解失重特性叠加规律,揭示了基于三种组分结构关系的热解小分子气体产物析出机理以及组分协同作用对热解焦油产物析出特性及成分的影响机理。为基于组分分析的生物质热解理论发展提供了新的思路,为生物质热解技术的应用提供了理论基础。为研究三种组分对生物质热解失重特性的影响,利用热重-质谱联用技术研究了原始生物质与三种组分的失重特性以及三种组分失重的叠加规律,并建立了相应的热解动力学模型。通过实验结果分析并与文献比较得出:在较低温度条件下（300℃）三种组分的失重曲线按比例叠加无法得到原始生物质的热解曲线,而在较高温度条件下（800℃）三种组分的失重曲线按比例叠加与原始生物质热解曲线吻合地较好。通过与文献中的结果比较,揭示了三组分失重叠加误差产生的原因及叠加条件。即:原始生物质中三组分之间存在着氢键等相互作用力,低温时键能相对于热解所需能量不可忽略,因此叠加后误差较大,而高温时键能与总能相比可以忽略,叠加后误差较小。进一步通过固定床反应器配合热重质谱联用仪分析了松木、稻秆及三种组分热解的小分子气体（H₂,CH₄,H₂O,CO,CO₂）析出特性。探索了三种组分对生物质热解小分子气体析出规律及气体产率的影响机理。实验发现木聚糖分子侧链容易发生断裂生成小分子气体,热解气体产率最高。而木质素的愈创木单元很容易发生交联反应,生成较多的焦炭,因此气体产率最低。比较松木和稻秆的气体产率得出木质素含量较高有益于促进高温下的气体产率。实际生物质热解小分子气体呈现为单一析出峰,而计算值为相互分离的两个峰。这可能是由于植物细胞壁中木质素包裹纤维素和半纤维素,阻碍其热解的挥发分释放,导致停留时间增长,延迟了气体析出峰,增加了气体产率。通过组分叠加得到的气体产率小于实际生物质热解的结果解释了上述推测。运用GC-MS分析方法检测了松木、稻秆及三种组分的热解焦油产物成分及相互影响规律。纤维素的热解焦油主要是左旋葡聚糖及其衍生物;木聚糖主要是糠醛、酮类及酸类、酚类;木质素主要是愈创木酚、甲苯、二甲苯等。通过焦油归类分析,发现松木和稻秆的热解焦油中木质素焦油对于总焦油的贡献较大。通过木质素和纤维素的共热解协同作用机理解释了该实验现象:木质素焦油的酚类小分子基团夺取左旋葡聚糖裂解的H自由基生成了更多的小分子芳香化合物,而在缺H自由基气氛中,促进了左旋葡聚糖裂解成小分子气体。

全文目录

摘要  2-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-18
  1.1 生物质能概论  11-12
  1.2 生物质能利用技术  12-13
  1.3 生物质热解研究进展  13-17
    1.3.1 生物质热解技术发展概况  13-15
    1.3.2 生物质热解研究现状  15-17
  1.4 本文研究课题背景及意义  17-18
第二章生物质及组分热解研究现状  18-29
  2.1 生物质组成及结构  18-21
  2.2 组分热解研究现状  21-24
    2.2.1 纤维素热解研究现状  21-23
    2.2.2 半纤维素热解研究现状  23-24
    2.2.3 木质素热解研究现状  24
  2.3 基于组分的生物质热解研究现状  24-27
  2.4 本文研究内容和方法  27-29
第三章生物质及组分热解失重特性研究  29-46
  3.1 引言  29
  3.2 实验原料及方法  29-32
    3.2.1 实验原料  29-30
    3.2.2 实验方法  30-32
  3.3 实验结果与分析  32-44
    3.3.1 组分的官能团结构分析  32-33
    3.3.2 组分热解失重特性分析  33-36
    3.3.3 松木及稻杆的热解失重特性  36-38
    3.3.4 生物质及组分的热解动力学模型  38-40
    3.3.5 组分对生物质热解失重特性的影响  40-44
  3.4 本章小结  44-46
第四章生物质及组分热解小分子气体研究  46-62
  4.1 引言  46
  4.2 实验方法  46-48
  4.3 实验结果与分析  48-61
    4.3.1 组分热解小分子气体析出特性  48-52
    4.3.2 组分热解气体产率分析  52-53
    4.3.3 松木及稻秆热解小分子气体析出特性  53-54
    4.3.4 松木及稻秆热解气体产率分析  54-55
    4.3.5 组分对生物质热解小分子气体析出及产率的影响  55-61
  4.4 本章小结  61-62
第五章生物质及组分热解焦油特性研究  62-89
  5.1 引言  62
  5.2 实验方法及步骤  62-64
  5.3 实验结果及分析  64-88
    5.3.1 三组分热解产物分布  64-67
    5.3.2 纤维素热解焦油分析  67-71
    5.3.3 木聚糖热解焦油分析  71-75
    5.3.4 木质素热解焦油分析  75-77
    5.3.5 松木及稻杆热解产物分布  77-80
    5.3.6 松木及稻杆热解焦油分析  80-85
    5.3.7 组分对焦油成分的影响及组分协同作用机理分析  85-88
  5.4 本章小结  88-89
第六章全文总结  89-91
参考文献  91-96
致谢  96-97
攻读硕士期间发表的论文目录  97-99

基于组分分析的生物质热解特性实验研究

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