半纤维素高温蒸汽气化微观机理研究

摘要

本课题以生物质高效气化利用技术为研究背景，以半纤维素的模化物木聚糖为研究对象，基于量子化学密度泛函理论（DFT），采用Gaussian软件研究了半纤维素高温蒸汽气化过程的微观反应机理，采用差热分析技术研究了半纤维素在不同水蒸汽浓度（20％、40%、60%、80%、100%）氛围下的气化行为，并建立了半纤维素高温水蒸汽气化反应的动力学模型。研究结果对于揭示生物质高温蒸汽气化机理具有重要意义。本文主要研究工作如下：
　　（1）基于密度泛函理论，运用Gaussian软件模拟并优化了半纤维素的分子结构，计算得到了振动频率，获得了稳定态的分子模型及其构型参数，并通过对比红外光谱仪测得的半纤维素分子结构中的基团频率和理论计算的频率验证了所猜测的半纤维素分子结构模型的正确性。
　　（2）设计了半纤维素在高温蒸汽气化（700～1500K）的8条反应路径，并进行了高温蒸汽气化反应的机理研究。采用量子化学密度泛函理论在B3LYP/6-31G(d)水平下对气化反应中各驻点（反应物、中间体、过渡态和产物）分子结构全面优化并且进行振动频率计算。结果表明，路径1、2在所有设定温度下的吉布斯自由能变最小，故路径1、2最容易发生，生成的产物2-糠醛（P1）最多，路径4活化能最低为最佳反应路径。
　　（3）进行了不同参数水蒸汽浓度（20%、40%、60%、80%、100%）的半纤维素气化反应的热重研究，分析了不同水蒸汽浓度对半纤维素气化的影响以及不同水蒸汽浓度下的气化反应动力学特性。研究表明，水蒸汽气氛下半纤维素的的高温气化可分为挥发分析出阶段（190℃～690℃）和半焦气化阶段（690℃～770℃）两个阶段；半纤维素所需的活化能均随着温度的升高而逐渐增大，半焦气化相对于挥发分析出更难以发生；随着水蒸汽浓度增大，活化能的变化呈现先增大后减小的趋势变化，当水蒸汽浓度从20%增大到40%时，所需活化能由50.24kJ/mol增大到53.18kJ/mol；继续增大水蒸汽浓度到100%时，所需活化能逐渐降低，降到38.55kJ/mol。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 生物质气化概述

1.3 半纤维素气化机理研究

1.4 研究内容及创新点

第二章 量子化学基础理论

2.1 量子化学理论

2.2 Gaussian 09软件介绍

2.3 半纤维素结构的量子化学计算

2.4 小结

第三章 半纤维素成分与结构

3.1 半纤维素试样成分分析

3.2 半纤维素试样结构分析

3.3 小结

第四章 半纤维素化学结构的量子化学计算及分析

4.1 计算方法

4.2 计算结果及分析

4.3 小结

第五章 不同水蒸汽浓度下半纤维素气化动力学研究

5.1 实验仪器与分析方法

5.2 实验结果与分析

5.3 水蒸汽气氛下的反应动力学模型

5.4 小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录（攻读学位期间发表论文及参与课题）