不同气氛下木质素高温热裂解特性的实验研究

【摘要】：随着化石燃料的日益短缺和环境污染的日趋严重,生物质能的开发和利用逐步引起了全世界的广泛关注。生物质热裂解技术是一种独立高效的生物质能利用方式,木质素作为生物质的重要组成成分,对木质素在不同气氛下的热裂解特性研究有利于提高我国生物质能的转换和利用效率,同时有助于理解生物质在不同气氛下的热裂解/气化规律。本文依托国家自然科学基金项目(51276023)“基于量子化学理论的生物质高温空气/蒸汽气化微反应机理研究”,对木质素在不同气氛下的热裂解行为进行了系统的研究。本文主要研究工作如下：(1)对木质素的结构进行了研究。利用傅里叶红外光谱仪对木质素的微观结构进行了分析,结果表明：在1138 cm-1处的是愈疮木酚型芳香核C-H平面变形、1217 cm-1处的是紫丁香基芳香核C-0、C-C、C=O伸缩振动、在734 cm-1～873cm-1处的是独有的芳香族官能团以及对应于1266 cm-1和3432 cm-1处的是甲氧基官能团,这为深入揭示木质素在不同气氛下的热裂解特性做准备。(2)木质素在氦气气氛下的热裂解研究。对TG-GC/MS的联用提出了一种新的见解,利用热重-气相色谱/质谱联用仪分析了木质素在氦气气氛、不同升温速率下的热裂解特性,结果表明：在该气氛下,随着升温速率的增加,三个阶段的最大失重率所对应的温度依次滞后,存在2个主要失重峰,分别位于315℃和690℃左右；升温速率对挥发分析出阶段的机理模型的选择没有影响,其热裂解反应机理是一级反应控制机理,随着升温速率的增加,该阶段的平均活化能变化没有呈现出明显的规律,其值约为54kJ/mol ～63.1kJ/mol;该气氛下CO和CO2的产生规律有所差别,在不同温度下分别达到各自峰值,并且在不同温度段下气体产生的机理也各不相同,CH4的产生可以分为低温段和高温段两部分,H2的产生主要来源于木质素中芳香烃环的断裂和重整。(3)木质素在氧气气氛下的热裂解研究。利用热重分析仪分析了木质素在不同氧浓度下的热裂解特性,结果表明：在氧气气氛下,其热裂解过程可分为脱水、氧化热裂解以及焦炭氧化三个阶段；氧气能够促进挥发分的析出,加快氧化热裂解速率和焦炭氧化速率,随着氧浓度的增加,各个阶段的最大失重率所对应的温度依次提前；氧气能够明显的改变木质素的反应热,在氮气气氛下吸热峰和放热峰都不明显,而在氧气气氛下有2个吸热峰和3个放热峰,并且其热裂解过程中的总热量是随着氧浓度的增加而增大的；在同一氧浓度下三个阶段的活化能是逐渐升高的,焦炭氧化阶段的活化能随着氧浓度的升高而升高,但是脱水阶段和氧化热裂解阶段却没有这种规律；采用Caots-Redfern积分方法,结合国内外研究成果,给出了理论转换率和理论反应速率方程,不同氧浓度下的理论和实验转化率的均方根误差均在2.50%以内,理论与实验反应速率的平均偏差在10%左右,所提出的3组分独立的平行反应动力学模型对木质素在氧气气氛下的热裂解行为有较好的适应性。
【关键词】：木质素 不同气氛 热裂解 TG-GC/MS 动力学特性
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O636.2;TK6