栽培基质桑枝残渣热裂解机理及其动力学研究

发布时间：2020-10-13 10:03

　　 面对世界能源危机和环境污染，开发绿色可再生能源刻不容缓。生物质来源广，有效地开发利用不仅可以缓解环境问题，还能提高生物质能源高品位产品的发展。生物质作为复杂的高聚物，其热解是生物质气化、燃烧和液化不可或缺的阶段。以广西特色优势资源桑枝残渣为原料，通过TG-DTA技术和Py-GC-MS技术深入研究生物质热解动力学的参数及方程，更有助于研究生物质热解产物的分布及机理本质。本文主要研究内容如下： 在10℃/min、20℃/min、30℃/min和50℃/min的升温速率下对桑枝M1残渣、桑枝杆M2残渣和桑枝皮M3残渣三种试样进行了非等温热重实验研究，三种试样热解过程主要包括四个不同阶段即干燥失水阶段、热解过渡阶段、快速热解阶段、碳化阶段。M1残渣的快速热解温区为275~450℃；M2残渣的快速热解温区为280~450℃；M3残渣的快速热解温区为170~400℃。在热解主要阶段，对桑枝M1、M2、M3残渣进行比较，桑枝杆M2残渣出现明显的肩状峰，M3残渣的快速热解温区较宽。M1残渣最大失重率对应的温度为358℃、362℃、373℃、375℃；M2残渣最大失重率对应的温度为341℃、352℃、369℃、376℃；M3残渣最大失重率对应的温度为330℃、350℃、355℃、370℃。随着升温速率β升高，热解过程中的起始反应温度，热解最大温度和终止温度随着升温速率增大而增大，而且热微商曲线的最大失重峰对应的极值位置向着高温区移动。 在10℃/min、20℃/min、30℃/min和50℃/min升温速率下采用等转化率法（FWO法和Kissinger法）和模型匹配法对桑枝M1残渣、桑枝杆M2残渣和桑枝皮M3残渣进行非等温热解动力学研究。由等转化率法得出三种试样采用FWO法所得活化能值普遍大于Kissinger法所得的活化能值。由模型匹配法得出M1残渣的热解动力学确定的是机理函数3，动力学参数E和A平均值取98.20KJ·mol-1和5.93×108s-1。M2残渣热解动力学确定的是机理函数17。动力学参数E和A平均值取87.44KJ·mol-1和1.21×108s-1。M3残渣热解动力学确定的是机理函数19。动力学参数E和A平均值取83.29KJ·mol-1和3.94×107s-1。 采用热裂解气质联用（Py-GC-MS）技术进行了650℃下桑枝杆M2残渣和桑枝皮M3残渣热裂解反应的研究。两种原料热裂解产物主要为含氧有机化合物，其中M2残渣有15种成分，分别为二氧化碳、烷烯烃、酚类、酸类、酯类、醇类、醛酮类，热解产物含量较高的是2,6-二甲氧基苯酚（14.32%）和乙酸（13.75%），其次是二氧化碳和酯类化合物；M3残渣有7种成分，分别为二氧化碳、烷烃、酸类、酚类、醛酮类，含量较高的是乙酸（30.25%）、二氧化碳（24.15%）和丁烷（14.53%），其次是丙烷、1-羟基-2-丙酮和酚类物质。桑枝残渣的纤维素、半纤维素和木质素高聚物在热裂解过程中发生断裂、降解等反应，探讨了热裂解反应历程与机理。
【学位单位】：广西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TK6
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 生物质能
        1.2.1 绿色能源的应用
        1.2.2 桑枝的利用
    1.3 生物质能的转化技术
        1.3.1 生物化学转化概述
        1.3.2 热化学转化概述
        1.3.3 热分析技术在动力学机理研究中的应用
    1.4 生物质热分析技术应用研究进展
        1.4.1 热分析技术
        1.4.2 热分析仪器设备
    1.5 动力学研究方法
        1.5.1 数值处理方法
        1.5.2 等温动力学方程
        1.5.3 非等温动力学方程
    1.6 本课题研究目的及内容
        1.6.1 课题来源
        1.6.2 课题研究目的及意义
        1.6.3 课题研究内容
第二章 栽培基质残渣的热失重行为研究
    2.1 原料特性分析部分
        2.1.1 实验原料
        2.1.2 原料特性分析方法
        2.1.3 原料特性分析结果与讨论
    2.2 热失重实验部分
        2.2.1 实验原料
        2.2.2 实验仪器
        2.2.3 实验条件与方法
    2.3 热失重实验结果与讨论
        2.3.1 非等温热分解过程分析
        2.3.2 升温速率对非等温热解过程的影响
    2.4 小结
第三章 栽培基质残渣热解动力学研究
    3.1 实验原料
    3.2 实验仪器及设备
    3.3 实验的原始数据及数据处理
    3.4 实验结果与讨论
        3.4.1 FWO 法多重扫描速率法（等转化率法）求活化能
        3.4.2 模型匹配法确定动力学参数
    3.5 小结
第四章 栽培基质残渣热解反应研究
    4.1 实验原料
    4.2 实验仪器
    4.3 实验条件及方法
    4.4 实验结果与讨论
        4.4.1 热裂解产物分析
        4.4.2 桑枝热裂解反应历程与机理
    4.5 小结
第五章 结论及展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢

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本文编号：2839033