生物质三组分热裂解特性及其动力学研究

摘要

生物质热裂解是将生物质能源转化成为高品位能源和化工产品工艺的核心技术。由于生物质三种主要成分纤维素、半纤维素和木质素均为具有复杂空间结构的高分子化合物，它们相互结合形成更为复杂的超分子复合物，因而生物质热解是一种复杂的物理化学过程。本文针对不同种类生物质以及生物质三种主要组分(纤维素、半纤维素和木质素)的热解反应规律和动力学进行研究，并对三组分之间热解反应的交互作用进行初步探索，最后对生物质热裂解气体产物的组成和分布进行了研究。 首先基于热重分析法对甲基纤维素、蔗渣和花生壳三种生物质热解规律进行研究。结果表明，花生壳的失重温区最大(230～580℃)，而甲基纤维素与蔗渣的主要失重温区都位于300～400℃。采用Coats-Redfem积分法研究上述三种生物质动力学规律，得到它们的热解反应均可以用一级反应动力学来描述，三种生物质中甲基纤维素的表观活化能最大。 对生物质三种主要成分纤维素、半纤维素(木聚糖为其模型化合物)和木质素热解反应行为和动力学研究表明：分子结构上的不同使得三组分的热解特性存在明显差异；在所考察的温区内，纤维素的失重量约为86％，木聚糖失重量为69％左右，而木质素的失重量仅为51％；热解反应深度按照纤维素、木聚糖和木质素的顺序依次降低；木聚糖和木质素热解反应均可以用两个分段二级动力学方程来描述，但纤维素在低温区和高温区分别遵循一级和二级动力学规律。 对生物质三组分之间热解反应的交互作用研究表明：在纤维素和木聚糖混合物的热解反应中，木聚糖对纤维素的热解反应具有单向抑制作用；在纤维素和木质素混合物的热解反应中，纤维素对木质素的热解反应具有单向抑制作用。 最后，在固定床反应器中对纤维素和木质素热裂解和催化裂解进行了研究。煅烧白云石对纤维素裂解具有良好的催化性能，对木质素裂解具有一定促进作用，但不及对纤维素裂解效果显著。

目录

文摘

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声明

第一章文献综述

1.1生物质的分布及利用

1.2生物质能转换技术概况

1.2.1生物质能转换技术总述

1.2.2国外技术概况

1.2.3国内技术概况

1.3生物质热解和催化裂解的研究进展

1.3.1生物质热解技术

1.3.2生物质催化裂解技术

1.3.3生物质热解和催化裂解的主要影响因素

1.4生物质裂解的动力学研究

1.4.1动力学模型

1.4.2动力学不同的处理方法

1.5课题目的及主要研究内容

第二章甲基纤维素、蔗渣和花生壳的热解特性及其动力学研究

2.1实验仪器与实验原料

2.1.1实验仪器及实验条件

2.1.2实验原料

2.2甲基纤维素、蔗渣和花生壳的热解特性

2.2.1升温速率对甲基纤维素热解行为的影响

2.2.2甲基纤维素、蔗渣和花生壳热解行为比较

2.3甲基纤维素、蔗渣和花生壳热解动力学研究

2.3.1动力学研究方法

2.3.2动力学模型的结果检验

2.3.3不同升温速率下甲基纤维素热解动力学参数

2.3.4甲基纤维素、蔗渣和花生壳热解动力学参数的比较

2.4小结

第三章生物质三组分热解反应及动力学研究

3.1实验方法及实验原料

3.1.1实验仪器及实验条件

3.1.2实验原料

3.2纤维素热解特性及动力学研究

3.2.1纤维素的热解特性

3.2.2纤维素热解动力学

3.3木聚糖热解特性及动力学研究

3.3.1木聚糖的热解特性

3.3.2木聚糖热解动力学

3.4木质素热解特性及动力学研究

3.4.1木质素的热解特性

3.4.2木质素热解动力学

3.5生物质三组分热解特性比较

3.6小结

第四章生物质组分热解反应协同作用研究

4.1纤维素和木聚糖的热解协同作用

4.1.1纤维素和木聚糖热解协同特性研究

4.1.2纤维素-木聚糖混合物热解动力学

4.1.3纤维素和木聚糖热解协同作用机理研究

4.2纤维素和木质素的热解协同作用

4.2.1纤维素和木质素热解协同特性研究

4.2.2纤维素和木质素热解协同作用机理研究

4.3小结

第五章固定床反应器中生物质热裂解和催化裂解初探

5.1实验原料、设备及分析方法

5.5.1实验装置

5.5.2实验原料

5.5.3分析与计算方法

5.2催化剂的处理和表征

5.3纤维素热裂解和催化裂解实验

5.3.1纤维素热裂解实验

5.3.2纤维素催化裂解实验

5.4木质素热裂解和催化裂解对比实验

5.5小结

第六章结论

参考文献

致谢

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