不同烘焙程度生物质热解/气化反应性及其构效关系研究

摘要

生物质资源存在着能量密度低、含氧量高、难破碎和不易储存等缺点，严重限制了其后续高效和低成本热解或气化利用。烘焙法作为一种简单高效的预处理方法，在提高生物质疏水性，能量密度，易磨性等方面有巨大的潜力。本项目的研究目标是建立不同烘焙程度生物质的结构和其热解/气化反应性的定量构效关系。在自行搭建的固定床反应器中开展烘焙预处理实验以及生物焦的制备实验。通过元素分析、固体核磁、红外光谱和拉曼光谱分别对烘焙生物质及其组分的结构变化进行表征，随后在热重装置上进行烘焙生物质的热解和气化反应性研究。实验结果表明: 松木烘焙预处理过程中主要发生脱水和脱羰基等脱挥发分反应，降低松木的H/C和O/C摩尔比并提高其芳香度，推测主要是松木中半纤维素和木质素组分的脱挥发分和交联炭化。烘焙能有效提高松木的热解反应性;相反，烘焙预处理也降低了松木焦的CO2气化反应性。且烘焙松木的热解/气化反应性与其芳香度和H/C摩尔比呈现出较强的线性关系。因此，生物质的H/C摩尔比和芳香度是定量评价烘焙过程中生物质结构变化及其对后续热解气化反应性影响的较好指标。本研究提供了一种简单有效的方法来快速预测不同烘焙程度下生物质的热解和气化反应特性。 本研究同时考察了烘焙对生物质组分（木聚糖和纤维素）与不同生物质原料（玉米芯和污泥）热解或气化特性的影响。研究表明:对于木聚糖、纤维素和玉米芯原料，轻度烘焙预处理能促进其热解反应性。但重度烘焙可能会抑制其热解反应性。烘焙同样能够降低木聚糖和玉米芯生物焦的气化反应性，且其气化反应性与烘焙样品的H/C摩尔比依然呈现较强的线性关系。对于污泥原料，由于烘焙过程中污泥的挥发份减少且其组分中蛋白质和芳香类等物质发生了缩聚炭化反应，其热解反应性也随着烘焙温度的增加而逐渐降低。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1生物质资源

1．2生物质的木质纤维素结构和性质

1．3生物质热解与气化技术

1．4生物质预处理技术

1．4．1生物质烘焙预处理

1．4．2生物质烘焙预处理对其热解行为及其气化反应性的关系

1．4．3生物质烘焙的进程和机理

1．5本文研究主要内容

2实验部分

2．1实验材料

2．2实验方法

2．2．1生物质原料烘焙实验

2．2．2生物质原料及其烘焙产物的烘焙性能表征

2．2．3生物质原料及其烘焙产物的热解和气化反应性

3不同烘焙程度松木热解／气化反应性及其构效关系研究

3．1结果与讨论

3．1．1松木及其烘焙样品的质量产率、工业分析和元素分析

3．1．2烘焙样品的固体核磁表征

3．1．3松木原料及其烘焙样品的热解反应性

3．1．4松木原料及其烘焙样品生物焦的结构-CO2气化反应性关系

3．2本章小结

4不同烘焙程度玉米芯热解／气化反应性及其构效关系研究

4．1玉米芯及其烘焙样品的结构与表征

4．1．1玉米芯及其烘焙样品的质量产率，元素分析

4．1．2玉米芯及其烘焙样品的热解特性分析

4．1．3玉米芯及其烘焙样品生物焦的结构和CO2气化反应性的构效关系

4．2本章小结

5不同烘焙程度木聚糖热解／气化反应性及其构效关系研究

5．1结果与讨论

5．1．1木聚糖烘焙样品的产率及元素分析

5．1．2木聚糖及其烘焙样品红外光谱表征

5．1．3木聚糖及其烘焙样品的热解特性分析

5．1．4木聚糖及其烘焙样品的CO2气化反应性

5．2本章小结

6不同烘焙程度纤维素热解反应性及其构效关系研究

6．1结果与讨论

6．1．1纤维素及其烘焙产物的产率和元素分析

6．1．2纤维素及其烘焙产物的红外光谱

6．1．2纤维素及其烘焙产物的热解特性分析

6．2本章小结

7不同烘焙程度污泥热解反应性及其构效关系研究

7．1结果与讨论

7．1．1污泥及其烘焙样品的产率和元素分析、工业分析

7．1．2污泥及其烘焙样品的固体核磁分析

7．1．3污泥及其烘焙样品TG-FTIR联用分析

7．2本章小结

8总结与展望

参考文献

附录

致谢