用热重-红外联合技术研究玉米秸秆热解特性

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,作为生物质能利用技术之一的生物质热解技术得到了广泛的重视。本文采用热天平和傅立叶变换红外光谱仪联用技术,对玉米秸秆各部分及不同部分的混合物的热解特性及热解动力参数进行了研究。采用热天平,在不同的升温速率下,分别对玉米秸秆的不同部分(秸秆皮、秸秆瓤、苞叶和叶子)的热解特性和秸秆皮与秸秆瓤混合热解分别进行了研究。由TG曲线和DTG曲线得到的热解特性参数可知,随着升温速率的增加,初始热解温度逐渐增大；最大失重速率逐渐增大,其对应的温度也增加；样品的最终总失重率逐渐增大。当玉米秸秆皮占玉米秸秆皮和玉米秸秆瓤混合质量的百分比大于50%时,玉米秸秆瓤对整体热解特性的影响较小,两者热解无协同效应。根据玉米秸秆不同部分的热解试验结果,采用Li Chung-HSiung法与Malek法相结合的方法,得到了玉米秸秆皮、玉米秸秆瓤、玉米苞叶和玉米叶子热解机理函数分别为F1、R2、F1、F1。采用Coats-Redfern法求解了玉米秸秆不同部分的热解动力学参数(活化能和前因子),结果表明,随着升温速率的增大,活化能也随着增大,前因子则随着减小。但总体来看,升温速率对玉米秸秆热解的活化能影响不大。由傅立叶变换红外光谱仪检测得到的热解析出气体谱图,再通过差谱法确定了几种未知的气体种类,如甲烷、丙酸,并得出几种主要气体产物红外吸收谱特征峰波数,定性研究了几种主要气体产物(CO2、CO、CH4、H2O)的变化过程,结果表明,在低温段,几种气体的析出过程相同,即随着温度的增加,析出量逐渐增大,然后有减小的趋势；而在高温段,CO2和H2O的析出逐渐减少,而CO和CH4相对来说析出量较大。通过多组分动力学模拟对玉米秸秆各部分热解过程进行了数值模拟。根据玉米秸秆各部分的热解试验数据,计算得到了各组分的动力学参数(活化能、前因子、贡献率、反应级数)。试验结果与计算结果吻合较好,说明多组分动力学模型是一种适用性比较广的模型,尤其更适合半纤维素和纤维素的热解模拟。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 生物质能利用研究现状

1.1.1 生物质能利用方法

1.1.2 国外生物质利用研究现状

1.1.3 我国生物质能利用研究现状

1.2 生物质热解技术

1.2.1 生物质热解技术的分类

1.2.2 热解动力学

1.3 课题来源及主要内容

1.4 本章小结

第2章 玉米秸秆热解试验装置及方法

2.1 试验装置及方法

2.1.1 试验仪器

2.1.2 试验方法

2.2 试验用试样

2.2.1 试样的元素分析及工业分析

2.2.2 试样的组分分析

2.3 本章小结

第3章 玉米秸秆的热解特性研究

3.1 玉米秸秆热解过程分析

3.2 玉米秸秆各部分单独热解时热解特性研究

3.2.1 升温速率对热解特性的影响

3.2.2 玉米秸秆不同部分的热解特性比较

3.3 玉米秸秆不同部分混合物的热解特性研究

3.4 本章小结

第4章 玉米秸秆热解气体产物FTIR分析

4.1 热解DTG曲线与热解气体吸光度曲线对比分析

4.2 最大吸收率处气体成分的红外定性分析

4.3 热解过程中析出气体产物的成分定性分析

4.4 本章小结

第5章 玉米秸秆热解动力学参数计算

5.1 热解动力学模型

5.2 机理函数的选择

5.3 玉米秸秆热解动力学参数计算

5.3.1 热解动力学参数计算

5.3.2 热解动力学参数的补偿效应

5.4 生物质多组分热解动力学模拟

5.4.1 生物质多组分热解动力学模型

5.4.2 玉米秸秆各部分热解模拟

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢