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烘焙生物质疏水性能及热解特性研究

作　者: 郝宏蒙
导　师: 杨海平
学　校: 华中科技大学
专　业: 热能工程
关键词: 农业秸秆烘焙疏水性热解
分类号: TK6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

作为煤、石油、天然气之后的第四大能源，生物质资源因其数量巨大、环境友好、可再生以及CO2零排放而得到广泛的利用。但是由于生物质存在季节性强、分散较广、含水量高(10-50%)且吸水性强、能量密度低、难于粉碎、流动性差等问题，而严重限制了生物质的规模化利用。烘焙有利于降低生物质的水分、提高能量密度，改善组成结构等，有利于生物质的高效利用。鉴于此，本文对我国典型的农业废弃物秸秆的烘焙特性及烘焙对其疏水性以及对后续热解液化的影响进行了深入的研究。首先利用固定床对棉杆、玉米杆颗粒进行了不同温度200℃、230℃、260℃、290℃烘焙，并采用傅里叶拉曼红外光谱分析仪、自动吸附仪等研究了烘焙生物质的理化结果的演变特性，研究发现烘焙使得大量含氧有机官能团的脱落，有机官能团组成向简单化发展；而且孔结构也发生了很大的变化，表面经历了从松散到致密再到开裂的变化过程；接着，采用恒温恒湿箱（不同的环境湿度：50%、60%、70%、80%、90%，温度为30℃）对烘焙样品的疏水特性进行了研究，并建立了平衡吸水率预测模型，发现烘焙生物质的吸水可分为两个阶段：初期的快速吸水阶段及后期的慢速吸水阶段。前者以形成块状水和毛细水为主的物理吸附为主，速度较快；后者主要受水中的氢原子与生物质颗粒表面的含氧官能团中的氧原子结合而形成的氢键的化学吸附控制，速度较慢，且样品的平衡吸水率随着烘焙温度的提高而显著降低。影响样品吸水性的三因素可归结为：表面含氧官能团、比表面积和孔隙结构、样品的表观形貌。然后，利用TG-DSC-FTIR联用技术对烘焙前后样品的热解特性进行了研究，烘焙预处理后样品的热失重都分为四个阶段，适用的反应动力学模型都为1级反应级数模型，且随着反应温度的提高，热解过程的吸热量增加，反应活化能和频率因子和综合热解特性出现先增大后减小的变化过程，而热解起始温度随着烘焙温度的提高逐渐增大，对应于半纤维素的肩峰随着烘焙预处理温度的提高而逐渐减弱直至消失；随着烘焙预处理温度的提高，小分子气体产物以及含氧有机物的量明显降低，有机物种类向简单化方向发展。最后，对烘焙生物质的热解特性及产物分布特性进行了详细分析，发现随着烘焙预处理温度的提高，热解焦炭产率逐渐增大，烘焙有利于热解焦炭的比表面积的增大。但是在260℃以前，玉米杆热解的气体产率出现略微上升，可能是碱金属催化作用造成的，气体产物中一氧化碳的含量表现出下降的趋势，而甲烷和氢气含量分别由于甲氧基的富集和苯环脱氢反应的加剧而明显增加。烘焙虽使得生物油的产率降低，但生物油中乙酸和水分的含量明显减小，这有利于生物油的稳定性以及后续利用成本的降低。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-22
  1.1 研究背景及意义  10-14
  1.2 生物质热解技术发展现状  14-17
  1.3 生物质烘焙技术研究现状  17-20
  1.4 课题的提出及主要研究内容  20-22
2 烘焙对生物质理化特性的影响  22-33
  2.1 试验样品及试验方法  22-25
  2.2 烘焙生物质化学结构特性  25-29
  2.3 烘焙生物质物理结构演变特性分析  29-32
  2.4 本章小结  32-33
3 烘焙样品疏水行为及机理分析  33-53
  3.1 实验样品及实验方法  33-35
  3.2 烘焙温度对生物质疏水特性的影响  35-39
  3.3 环境湿度对烘焙生物质疏水特性的影响  39-41
  3.4 烘焙生物质疏水过程预测与机理分析  41-51
  3.5 本章小结  51-53
4 烘焙生物质热解 TG-DSC-FTIR 联用研究  53-75
  4.1 实验样品及实验方法  53-54
  4.2 烘焙生物质热解失重特性  54-61
  4.3 烘焙生物质热解放热特性  61-62
  4.4 烘焙生物质热解的热动力学分析  62-69
  4.5 烘焙生物质热解气体产物析出特性  69-73
  4.6 本章小结  73-75
5 烘焙生物质快速热解特性的研究  75-95
  5.1 实验样品及方法  75-79
  5.2 烘焙生物质热解特性分析  79-82
  5.3 烘焙生物质热解气体产物特性  82-84
  5.4 烘焙生物质热解生物油特性  84-91
  5.5 烘焙生物质热解焦的理化特性  91-93
  5.6 本章小结  93-95
6 全文总结与展望  95-98
  6.1 总结  95-96
  6.2 本文的创新与特色  96-97
  6.3 进一步工作的建议  97-98
致谢  98-100
参考文献  100-112
附录攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目  112

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