毛竹热解行为及预处理影响的研究

摘要

随着时代的发展，化石燃料日益枯竭，由使用化石燃料而引起的环境污染问题日益严重，生物质能的开发和利用越来越受到重视。竹材是重要的森林资源之一，在我国，分布广，资源蕴藏量大，是一种理想的可再生生物质资源。本文对毛竹在热重(TG)及管式炉中的热解行为进行了深入系统的研究和探讨，并引入水洗及酸洗作为热解过程的预处理，针对预处理对原料及其热解行为的影响进行了深入及全面的分析。实验结果对深入认识竹材热解规律、设计及优化竹材热解加工工艺、开发高附加值的热解产品具有重要的指导意义。
　　本文首先采用热重(TG)分析，研究了毛竹在惰性气氛下、较慢（5-50 K/min）和较快（100-200 K/min）升温速率时的失重行为。分别采用模式函数法和等转化率法对非等温动力学过程进行拟合。通过对动力学结果进行比较和分析，结合可能的热解机理，对不同热解条件下毛竹的热解行为进行讨论。结果表明，建立的动力学模型可较好地模拟毛竹热解失重行为，并可在一定程度上反映真实的热解过程。
　　在热重实验基础上，自行设计管式炉反应器，对毛竹原料进行热解实验，收集液体产物进行GC/MS及GC分析，考察了升温速率及反应终温对三种产物（固体炭、液体及气体）产率及几种液体组分（糠醛、苯酚、愈创木酚）含量的影响，对有机小分子及酚类产物的生成过程进行了一定程度的探讨。结果表明，采用管式炉对毛竹进行热解时，当升温速率较慢/反应终温较低时，主要为半纤维素和纤维素的热解反应，其初级反应产物将进一步反应生成酚类物质;较快的升温速率（较大的加热功率）/较高的反应温度有利于木素热解，使酚类产物产率明显上升，同时半纤维素及纤维素产物的二次反应将被抑制。
　　采用不同的预处理条件（浸洗时间、酸浓度）对毛竹样品进行水洗及稀硫酸洗预处理，在之后的热重及管式炉热解实验中，对毛竹原样及处理样在不同条件下（TG中不同的升温速率、管式炉实验中不同的升温速率和反应终温）的热解行为分别进行动力学及热解产物分析，深入讨论了预处理对热解行为的影响及其原因。采用水洗及稀硫酸洗对毛竹样品进行预处理，对样品性质的主要改变包括:(1)去离子作用:水洗可明显脱除竹材中的灰分，酸洗的脱灰分作用与水洗相当。(2)对大分子结构的影响:采用稀硫酸对样品进行预处理，将破坏大分子物理结构。(3)水洗将在原料中添加少量水份，酸洗将在热解反应中引入酸性离子，对热解产物的分布造成影响。(4)水洗及酸洗对样品中主要化学成分的含量也将造成一定影响，但这一变化对热解的影响与其他因素相比并不明显。从热解动力学角度看，预处理对碱金属离子的移除作用对热解影响最为明显，使热解更易发生;从产物生成角度看，预处理在一定程度上改变了热解产物的生成路径，从而增加了液体产物中的糠醛浓度，经预处理后的毛竹热解对生产呋喃及其衍生物具有一定的应用前景。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 生物质的概念及特点

1．2 生物质能开发利用的意义

1．3 生物质能开发利用技术现状

1．4 竹材利用的意义及现状

1．4．1 竹材资源分布状况

1．4．2 竹材化学成分分析

1．4．3 竹材利用现状

1．5 本文研究目的和内容

2 生物质热解动力学及机理研究现状

2．1 生物质热解动力学及机理研究现状

2．1．1 生物质主要成分与结构

2．1．2 生物质热解整体反应动力学分析

2．1．3 生物质热解的传热传质分析

2．1．4 生物质三组分的热解机理及可能的协同效应

2．2 热分析动力学研究方法

2．2．1 热分析动力学的基本方法

2．2．2 对热分析动力学的评价

2．3 竹材热解研究现状

3 毛竹热解动力学研究

3．1 实验

3．1．1 实验原料

3．1．2 原料工业分析及元素分析

3．1．3 实验设备与实验方法

3．1．4 热解动力学处理方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 毛竹热解失重曲线

3．2．2 毛竹热解动力学模型

3．2．3 模型可靠性验证

3．2．4 讨论

3．3 结论

4 水洗及酸洗对毛竹热解行为的影响

4．1 实验原料及预处理

4．1．1 实验原料

4．1．2 原料预处理

4．2 实验

4．2．1 灰分组成测定

4．2．2 化学组成测定

4．2．3 IR光谱测定

4．2．4 热重实验

4．3 结果及讨论

4．3．1 水洗及酸洗对灰分及其组成的影响

4．3．2 水洗及酸洗对主要化学成分的影响

4．3．3 毛竹及处理样热解失重行为研究

4．4 结论

5 管式炉内毛竹热解实验研究

5．1 实验部分

5．1．1 实验原料及预处理

5．1．2 实验装置及实验条件

5．1．3 热解产物分析

5．2 结果与讨论

5．2．1 热解液体产物的GC/MS及GC分析

5．2．2 反应终温对原样热解的影响

5．2．2 升温速率对原样热解的影响

5．2．4 水洗及酸洗对热解产物的影响

5．2．5 讨论

5．3 结论

6 酸洗对毛竹热解产物的影响

6．1 实验部分

6．1．1 实验原料及预处理

6．1．2 热重分析

6．1．3 管式炉热解实验及产物分析

6．2 结果与讨论

6．2．1 TG及DTG曲线

6．2．2 稀硫酸浓度及处理时间对热解产物的影响

6．2．3 结果讨论

6．3 结论

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间的科研成果