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生物质多组分的热裂解动力学研究

作　者: 文丽华
导　师: 骆仲泱；王树荣；方梦祥
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 生物质纤维素热裂解动力学红外分析
分类号: TK6
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

生物质能源的开发利用是缓解我国能源和环境压力,建立可持续发展能源系统的有效措施。生物质热化学转换技术是生物质能源化转换利用研究中的一个重点,其中生物质热裂解作为目前世界上生物质能研究开发的前沿技术,不仅是生物质气化或燃烧等转化过程中的必经步骤,而且其本身就是一种产生高能量密度产物的独立工艺。生物质作为一种复杂的高聚物,其热分解是一种非常复杂的物理化学过程,而动力学研究作为热裂解过程的基础研究部分,能深入揭示生物质热裂解过程的物理化学变化过程,对整体工艺的优化起到关键作用。生物质的组分构成对其热解过程的影响受到广泛关注。首先,本文对生物质利用意义和现状进行了总结,随后分别从单组分和多组分的角度讨论了生物质热裂解过程的动力学模拟现状。对当前文献里对生物质及其主要组分的裂解的研究情况进行了系统的介绍和比较。为了研究纤维素的热裂解特性,掌握其热解动力学过程,本文首先在热天平和傅立叶变换光谱仪联用的装置上,开展了纯纤维素的热失重研究,同时利用红外对纤维素原料进行了微观结构分析。通过红外检测的热解析出气体图谱,聚焦于几个主要产物的变化过程,直接获得了纤维素热裂解过程中的连续和竞争反应模式。采用微分和积分方法求出了纤维素热解的反应参数。针对普遍接受的描述纤维素热裂解过程的Broido.Shafizadeh动力学模型,利用加盖实验研究了产物的二次反应情况,结果认为二次反应对最后产物的分布有重要影响,应该在反应模式中加以考虑,从而验证了改进的Broido-Shafizadeh模型。采用同样的方法对半纤维素的模化物木聚糖和木质素进行了热裂解特性研究,发现木质素无论是微观结构还是热解过程,均表现得相当复杂并具有独特的特性。对各自热解过程的儿种具有代表性的产物的生成作了分析推理,并分两阶段对木聚糖的热解过程进行了表观动力学模拟。对几种典型的木材进行了热重红外联用上的热解特性研究,从组分含量差异的角度对比了木材种类的不同对热裂解特性表现的影响,对其热裂解过程进行了分阶段讨论。以白松为典型,将主要热解阶段的裂解产物进行分类,并对几类典型产物的形成过程和随后的化学变化进行了讨论分析。最后,采用多组分动力学模型对多种木材的热解过程进行了数值模拟。先利用花梨木实验结果,编程迭代得出最优模型,然后使用杉木和水曲柳实验数据进行检验,在总体上均得到了较好的拟合效果,证明所提出的多组分动力学模型是一种适应性比较广的模型。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.引言  9
  2.生物质能的可利用范围  9-10
  3.生物质能开发利用意义  10-11
    3.1 基于能源与环境的双重需要  10
    3.2 基于国家安全的需要  10-11
    3.3 我国具有丰富的生物质储量  11
    3.4 生物质的经济性分析  11
  4.生物质能源开发技术和利用现状  11-12
  5.生物质热裂解制油技术  12-15
    5.1 燃料  13
    5.2 生产化学制品  13-15
  参考文献  15-16
第二章生物质及各组分热解动力学研究综述  16-28
  1.引言  16
  2.生物质热解动力学模型进展  16-20
    2.1 热解反应动力学方程的基础  17
    2.2 单组分动力学反应模型  17-18
    2.3 多组分动力学模型  18-20
  3.生物质热解过程的实验方法介绍  20-23
    3.1 热重法  20-21
    3.2 傅立叶变换红外光谱法  21
    3.3 热重—红外联用分析技术  21-23
  4 热重红外联用在生物质热解的研究现状  23-25
  参考文献  25-28
第三章纤维素热裂解动力学研究和机理分析  28-49
  1.概述  28
  2.纤维素热裂解动力学实验  28-30
    2.1 实验分析方法  28
    2.2 纤维素的结构，物料特性  28-30
  3.纤维素热裂解动力学  30-34
    3.1 纤维素热裂解的动力学实验结果  30-32
    3.2 纤维素热解的表观动力学模型  32-34
  4.纤维素热裂解机理分析  34-45
    4.1 纤维素热解的初始阶段  36
    4.2 纤维素热解的主要阶段  36-42
    4.3 热解后残留物的热分解阶段  42-43
    4.4 纤维素热裂解的二次反应研究  43-45
  5.本章小结  45-46
  参考文献  46-49
第四章半纤维素和木质素的动力学研究  49-59
  1.概述  49
  2.试验样品  49-52
    2.1 木聚糖的微观结构  50-51
    2.2 木质素的结构  51-52
  3.热裂解过程研究  52-55
  4.木聚糖的动力学模拟  55-57
  5.本章小结  57-58
  参考文献  58-59
第五章生物质热裂解机理研究  59-72
  1.绪论  59
  2.原料特性  59-64
    2.1 木屑的元素分析和工业分析  59-62
    2.2 物料的组分分析  62-64
  3.木材热裂解实验  64-70
    3.1 实验条件和方法  64-65
    3.2 白松热解主要产物的形成过程  65-70
  4.本章小结  70-71
  参考文献  71-72
第六章生物质多组分热裂解动力学模型  72-76
  1.引言  72
  2.生物质多组分热裂解动力学模型  72-73
  3.计算结果及分析  73-75
    3.1 模型计算中相关参数范围的选定  73
    3.2 计算过程的优化  73-74
    3.3 模拟结果及验证  74-75
  4.本章小结  75-76
全文总结  76-78
  本文研究创新之处  76-77
  本文研究展望之处  77-78
致谢  78-79
作者攻读硕士学位期间的论文目录  79

生物质多组分的热裂解动力学研究

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