烘焙和低氧烘焙对杉木屑品质和储藏行为的影响与机理

摘要

生物质是重要的可再生能源，其中杉树是我国乃至全球的重要林业生物质能源，通过预处理提高杉树剩余物的燃料品质有利于林业生物质能产业的发展。林业生物质的燃料品质通常可通过烘焙得到提高，而低氧烘焙作为一种降低成本的烘焙技术，比传统烘焙具有更好的工业应用潜力。由于燃料存在供求变化，经常会在密闭的环境中储藏或者运输一段时间。在密闭储藏空间中，燃料会发生品质的不利变化且释放有害气体，其中有关醛酮类气体的释放研究甚少。因此，本文主要研究烘焙和低氧烘焙对杉木屑的品质和储藏行为的影响与机理。主要考察烘焙和低氧烘焙对杉木屑成分、外观、成型行为和热解特性的影响与机理。采用Flynn-Wall-Ozawa、Kissinger-Akahira-Sunose、Friedman、Kissinger方法和Coats-Redfern模型确定杉木屑、烘焙杉木屑和低氧烘焙杉木屑的活化能和指前因子。考察烘焙和低氧烘焙对储藏过程中杉木屑的成分变化、颜色变化和醛酮类气体生成和释放行为的影响，并进行机理分析。结果表明：烘焙和低氧烘焙均可提高杉木屑的燃料品质，表现在提高固定碳相对含量、减少挥发分的相对含量、提高热值等。烘焙载气含氧量对烘焙杉木屑的H/C和O/C影响很小。不大于3%的氧气对烘焙杉木屑的成分影响不大。当氧气大于3%时，低氧烘焙可有效提高烘焙杉木屑的燃料品质。随着烘焙的发生和烘焙载气含氧量的增加，杉木屑的颜色更黑、更绿和更蓝。多元线性回归结果表明颜色变化可以在一定程度上反映其组分和品质的差异。烘焙杉木屑成型颗粒和低氧烘焙杉木屑成型颗粒的密度均低于杉木屑成型颗粒的密度，且成型能耗和推动能耗均高于杉木屑。烘焙杉木屑和低氧烘焙杉木屑的成型行为差异较小。FWO和KAS方法的计算结果相近，且适合用于计算活化能和指前因子。Kissinger方法计算结果表明的活化能和指前因子的顺序为：烘焙杉木屑＞杉木屑＞9%O2-低氧烘焙杉木屑。低氧烘焙使得杉木屑和烘焙杉木屑在热解过程中所需的能量减少、热解反应体系更加均匀、工业中热解行为的调控更加节能有效。根据30天储藏结果可知，烘焙和低氧烘焙可通过减少杉木屑的含水率或脂肪酸含量进而减少杉木屑品质的不利变化。低氧烘焙可通过减少烘焙杉木屑的含水率来减少颜色和纤维素成分的变化。9%烘焙载气含氧量可减少烘焙杉木屑的75.5%的醛酮类气体释放。烘焙载气含氧量还会影响醛酮类气体的释放动力学，本文建立了醛酮类气体释放动力学参数与烘焙载气含氧量的多元关系。在烘焙系统中引入3~9%氧气减少了烘焙杉木屑的脂肪酸含量，削弱了不饱和脂肪酸和氧气之间的氧化反应，这是储藏期间醛酮类气体释放减少的重要原因。

目录

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目 录

第1 章 绪 论

1.1 林业生物质能源简介

1.1.1 生物质能源与林业生物质能源

1.1.2 林业生物质能源的利用方式

1.2 烘焙与低氧烘焙

1.2.1 烘焙

1.2.2 低氧烘焙

1.3生物质热解和热解动力学

1.3.1生物质热解

1.3.2生物质热解动力学

1.4 林业生物质储藏和运输研究进展

1.4.1林业生物质在储藏和运输中发生的品质变化

1.4.2林业生物质在储藏和运输中气体释放行为

1.4.3 林业生物质在储藏和运输中醛酮类气体释放机理

1.5 课题研究主要内容

1.5.1 主要研究目标

1.5.2 主要研究内容

1.5.3 技术路线

1.5.4 创新点

第2 章试验材料及方法

2.1 引言

2.2 实验材料

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验试剂

2.3 实验仪器与方法

2.3.1 烘焙仪器与方法

2.3.2 成型仪器与方法

2.3.3 储藏仪器与方法

2.4 分析方法

2.4.1 元素分析方法

2.4.2 工业分析方法

2.4.3热值分析方法

2.4.4纤维素分析方法

2.4.5颜色分析方法

2.4.6热重分析

2.4.7脂肪酸分析

2.4.8醛酮类气体分析

2.5 等转化率方法和热解动力学模型

2.5.1 Flynn-Wall-Ozawa method（FWO）

2.5.2 Kissinger-Akahira-Sunose method（KAS）

2.5.3 Friedman

2.5.4Kissinger

2.5.5 Coats-Redfern数学模型

第3 章 烘焙和低氧烘焙对杉木屑品质的影响

3.1 引言

3.2 烘焙和低氧烘焙对杉木屑成分的影响

3.2.1烘焙和低氧烘焙对杉木屑重量和工业分析的影响

3.2.2 烘焙和低氧烘焙对杉木屑元素分析的影响

3.2.3 烘焙和低氧烘焙对杉木屑纤维素分析和热值的影响

3.3 烘焙和低氧烘焙对杉木屑颜色、微观结构和成型行为的影响

3.3.1烘焙和低氧烘焙对杉木屑颜色的影响

3.3.2颜色与成分之间的多元线性关系

3.3.3 烘焙和低氧烘焙对杉木屑微观结构的影响

3.3.4 烘焙和低氧烘焙对杉木屑成型行为的影响

3.4 本章小结

第4 章 烘焙和低氧烘焙对杉木屑热解特性的影响

4.1 引言

4.2热重分析

4.3热解动力学

4.3.1等转化率法

4.3.2 热解动力学模型

4.3.3 等转化率方法与Coats-Redfern模型的比较

4.4 本章小结

第5 章烘焙和低氧烘焙对杉木屑在储藏中品质变化和醛酮类释放行为的影响与机理

5.1 引言

5.2 烘焙和低氧烘焙对杉木屑在储藏中品质变化的影响

5.3 烘焙和低氧烘焙对杉木屑在储藏中醛酮类气体释放的影响

5.4 醛酮类气体释放与脂肪酸的关系

5.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

附录A攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢