陕西关中麦草秸秆热解特性及其动力学研究

摘要

目前，能源危机、环境污染及气候变化等问题使可再生能源得到广泛关注。生物质作为一种重要的可再生能源，具有环保清洁、储量丰富、可再生等特点，可改观人类社会面临的能源危机、环境污染和资源浪费等现状，成为替代化石燃料的一种重要可再生能源。热化学转化法是生物质能源化的一种重要方法。生物质资源可通过热化学转化法被制取成运输燃料和化学品，热化学转化法中的热解技术因其目标产物的多样性，被广泛应用于生物质资源的能源化。
　　陕西关中地区盛产小麦，每年产生的大量麦草秸秆是一种潜在的生物质资源。然而，对麦草秸秆采用燃烧、还田及饲养牲畜等传统的利用方式，不仅污染环境，还造成资源的巨大浪费。目前，鲜有学者对关中麦草秸秆进行热解研究，本文以关中麦草秸秆为研究对象，利用TG-FTIR联用技术研究麦草秸秆及其主要组分的热解行为、产物及其热解反应动力学，同时考察热解工艺参数对关中麦草秸秆热解特性、产物及其动力学参数的影响。本论文的主要研究工作如下:
　　(1)对关中麦草秸秆进行详尽的物化特性分析，结果表明其具有高挥发分、低灰分、C、O、H含量高的特点，具有良好的燃料特性;原料主要由一些带有不同含氧官能团的酸类、烷烃、脂肪族、芳香族化合物组成。
　　(2)通过TG-FTIR联用技术对关中麦草秸秆在不同升温速率下进行热解，发现其热解过程分为失水、半纤维素热解、纤维素热解及木素热解等4个阶段;热解过程中的主要挥发性产物为H2O、CH4、CO2、CO小分子气体以及芳香族、酸类、酮类、醛类、醇类、烷烃、酚类和醚类等轻质焦油组分。此外，还考察热解工艺参数（热解温度、碱金属含量、共热解）等对其热解特性及产物的影响。
　　(3)对关中麦草秸秆中的纤维素、半纤维素和木素等主要组分进行提取分离，通过TG-FTIR联用技术对各组分的热解特性、产物进行研究，研究发现各组分热解特性差异显著，半纤维素主热解温度范围为180～390℃，纤维素的主热解温度范围为256～412℃，木质素的降解发生在较广的温度范围;纤维素热解的产物包含H2O、CO、CO2和含C—H键的烃类及含C=O键的酸、醛和酮等物质，半纤维素热解的主要产物为CO2、CH4、H2O、CO和一些酸类、醛类(C=O)、烷烃类(C—C)和酯类(C—O—C)等有机物;木质素热解的主要产物为H2O、CO2、甲醛、酚类、甲醇及烷烃类化合物。
　　(4)采用等转化率无模式函数法中的FWO、KAS及Kissinger法对关中麦草秸秆热解的表观活化能进行估算，结果发现FWO、KAS法表观活化能大小均约为202 kJ/mol，略高于Kissinger法热解表观活化能171.12 kJ/mol;假定热解反应级数为1，采用C-R法对其主要组分的热解动力学进行分析，结果表明半纤维素和纤维素在其主热解区的表观活化能分别为49.53 kJ/mol和49.53 kJ/mol，木质素在45～116℃的温度区间内，其表观活化能值为34.48 kJ/mol。
　　关中麦草秸秆热解制取燃料和化学品前景广阔，通过对陕西关中麦草秸秆的热解特性及动力学分析研究，可为该生物质资源的裂解气化提供技术依据;并为优化生物质热解工艺参数、改进热解设备及与气化工艺组合生产高品质生物质燃气提供技术支撑，这对提高生物质资源利用效率和繁荣区域经济具有重要意义，但仍有待对关中麦草秸秆的热解反应机理及能源利用率作进一步研究。

目录

摘要

符号说明

1 引言

1．1 研究背景

1．2 生物质能概况

1．3 生物质热化学转化技术

1．4 生物质热解技术研究综述

1．4．1 生物质热解技术原理

1．4．2 生物质热解技术研究进展

1．4．3 生物质热解动力学研究进展

1．5 课题研究目的及内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

2 关中麦草秸秆热解特性及产物研究

2．1 关中麦草秸秆物化特性分析

2．1．1 原料来源及样品制备

2．1．2 工业分析、元素分析及热值计算

2．1．3 化学组分分析

2．1．4 碱金属及碱土金属元素含量分析

2．2 关中麦草秸秆热解气体产物研究

2．2．1 研究目的及方案

2．2．2 实验装置

2．2．3 关中麦草秸秆热稳定性研究

2．2．4 关中麦草秸秆热解产物研究

2．3 过程参数对热解特性及产物的影响

2．3．1 热解温度对热解产物分布的影响

2．3．2 升温速率对热解特性的影响

2．3．3 碱金属及碱土金属含量对热解特性的影响

2．3．4 共热解对热解特性及产物分布的影响

2．4 关中麦草秸秆中各组分的热解特性及产物研究

2．4．1 关中麦草秸秆中各组分的提取分离工艺

2．4．2 关中麦草秸秆中各组分的化学结构表征

2．4．3 关中麦草秸秆中各组分的热解特性研究

2．4．4 关中麦草秸秆中各组分的热解产物研究

2．5 本章小结

3 关中麦草秸秆热解反应动力学研究

3．1 关中麦草秸秆热解反应动力学分析

3．1．1 热解动力学分析方法

3．1．2 关中麦草秸秆热解表观活化能的估算

3．2 工艺条件对热解反应动力学参数的影响

3．2．1 碱金属及碱土金属含量对热解动力学参数的影响

3．2．2 共热解工艺对热解动力学参数的影响

3．3 关中麦草秸秆中各组分热解动力学参数分析

3．3．1 各组分热解动力学参数的估算

3．3．2 各组分热解动力学参数分析

3．4 本章小结

4 关中麦草秸秆热解炭的特性表征

4．1 实验部分

4．1．1 实验原料

4．1．2 实验仪器

4．1．3 热解炭的制备条件及方法

4．1．4 热解炭的XRD衍射实验

4．1．5 热解炭的SEM表征实验

4．1．6 热解炭的比表面积测定实验

4．2 结果与讨论

4．2．1 热解温度对热解炭产率的影响

4．2．2 热解炭的SEM分析

4．2．3 热解炭的XRD分析

4．2．4 热解炭的比表面积分析

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

致谢

参考文献

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