基于组分的生物质热解试验及其动力学特性研究

摘要

从试验与模拟两个方面，对基于组分的生物质热解特性及动力学特性进行研究。首先采用TGA和Py-GC/MS装置对生物质单组分、组分间、金属盐催化分别进行热裂解试验，研究生物质组分热解的动力学特性以及热解产物分布情况。并且基于生物质热解经典的B-S模型，采用Fluent商业软件对喷动床内生物质热解过程进行数值模拟，最终得出生物质热解的气、液、固三相产率。
　　由生物质组分的TGA热失重试验表明:纤维素热解反应剧烈，失重率大，木聚糖热解的起始温度较低，而木质素热失重过程缓慢，并且产生较多的焦炭。纤维素与木聚糖混合热解过程中不存在明显的交互作用。纤维素与木质素混合热解过程中存在明显的相互影响，木质素的存在降低了纤维素的热解反应速率，并且热解最终所得焦炭的产率提高。木聚糖与木质素混合热解过程中存在较大的交互作用，主要表现为挥发分析出产率的升高。金属盐的添加促进了纤维素低温分解，降低了反应速率，增加了焦炭产率，其中Na盐对纤维素反应速率的抑制作用较强，而K盐对纤维素低温热解有较强的催化作用。金属盐的添加使得木聚糖初始和终止热解温度提前，并且乙酸盐使得木聚糖的热解速率有所升高，碳酸盐则相反。金属盐的添加对木质素主热解反应阶段的影响很小。
　　由生物质组分的Py-GC/MS快速热裂解试验表明:纤维素主要热裂解生成左旋葡聚糖，木聚糖主要生成糠醛与乙酸，木质素主要生成酚类物质。纤维素与木聚糖共热解存在相互作用，纤维素的热解产生的糖类产率受到木聚糖较强的抑制。而纤维素的存在促进了木聚糖醛类与酸类热解产物的生成。纤维素与木质素共热解的相互影响也较明显，木质素的存在对纤维素热解生产糖类具有强烈的抑制作用，而纤维素的存在则促进了木质素热解生成酚类。木聚糖对木质素独特的热裂解产物酚类物质同样具有明显的促进作用。木质素的存在使得木聚糖热解产物中的糠醛以及C=O化合物产量显著下降。同样地，糖类物质也受到了木质素的抑制作用。
　　由基于B-S模型的生物质热解过程的模拟表明:生物质热解生成的生物油与热解气在进料口附件聚集形成高浓度区，继而扩大-排出床层-扩散-消失。在生物质热解的起始传热阶段，床内气相温度随着时间的增加而迅速升温。随后升温速率变得缓慢，直到温度稳步升至热解工况所设定的温度，此时床内气相温度基本稳定。不同温度工况下生物质热解三相产率的试验值与模拟值基本一致。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景及意义

1．2．1 生物质能概念和分类

1．2．2 生物质组成和特点

1．2．3 生物质能源利用技术

1．3 生物质组分热解研究进展

1．3．1 生物质三大组分热裂解研究

1．3．2 抽提物和无机物对生物质热裂解的影响

1．3．3 生物质热解模拟研究

1．4 本课题主要研究内容

第二章 基于组分的生物质热裂解动力学研究

2．1 引言

2．2 生物质组分TGA热解试验介绍

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验方法

2．2．3 试验工况

2．3 生物质三大组分热裂解试验研究

2．3．1 生物质三大组分单独热裂解特性

2．3．2 生物质混合组分热裂解的交互影响

2．4 金属盐对生物质三大组分热裂解的影响

2．4．1 金属盐对纤维素热裂解特性的影响

2．4．2 金属盐对木聚糖热裂解特性影响

2．4．3 金属盐对木质素热裂解特性的影响

2．4．4 原始与合成生物质热解对比

2．4．5 不同升温速率与添加比例对生物质热裂解的影响

2．5 生物质组分热解特性及动力学参数分析

2．5．1 生物质组分热裂解特性参数分析

2．5．2 生物质组分热裂解动力学参数分析

2．6 本章小结

第三章 基于组分的生物质热裂解产物分布研究

3．1 引言

3．2 生物质组分Py-GC／MS热解试验介绍

3．2．1 试验材料

3．2．2 试验装置

3．2．3 试验工况

3．3 生物质三大组分快速热裂解试验结果分析

3．3．1 纤维素快速热裂解的产物分布

3．3．2 木聚糖快速热裂解产物分布

3．3．3 木质素快速热裂解的产物分布

3．4 生物质组分间混合热裂解的相互影响

3．4．1 纤维素与木聚糖混合热裂解的产物分布

3．4．2 纤维素与木质素混合热裂解的产物分布

3．4．3 木聚糖与木质素混合热裂解产物分布

3．5 本章小结

第四章 基于组分的生物质热解过程的模拟研究

4．1 引言

4．2 气固两相流模型

4．2．1 连续性方程

4．2．2 动量方程

4．2．3 湍流模型

4．2．4 动能理论

4．2．5 传热模型

4．3 生物质热解模型

4．3．1 模型假设

4．3．2 动力学模型

4．3．3 物性参数

4．3．4 化学反应速率

4．3．5 物理模型

4．3．6 计算条件

4．4 模拟结果分析与讨论

4．4．1 Qs／Qr=10／2工况下喷动床内生物质热解过程分析

4．4．2 Qs／Qr=2／10工况下喷动床内生物质热解过程分析

4．4．3 温度对Qs／Qf=10／2工况下喷动床内生物质热解的影响

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究结论

5．2 研究创新点

5．3 研究展望

参考文献

学术论文及科研成果

致谢