本文關(guān)鍵詞：陜西關(guān)中麥草秸稈熱解特性及其動力學研究

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【摘要】：目前,能源危機、環(huán)境污染及氣候變化等問題使可再生能源得到廣泛關(guān)注。生物質(zhì)作為一種重要的可再生能源,具有環(huán)保清潔、儲量豐富、可再生等特點,可改觀人類社會面臨的能源危機、環(huán)境污染和資源浪費等現(xiàn)狀,成為替代化石燃料的一種重要可再生能源。熱化學轉(zhuǎn)化法是生物質(zhì)能源化的一種重要方法。生物質(zhì)資源可通過熱化學轉(zhuǎn)化法被制取成運輸燃料和化學品,熱化學轉(zhuǎn)化法中的熱解技術(shù)因其目標產(chǎn)物的多樣性,被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)資源的能源化。陜西關(guān)中地區(qū)盛產(chǎn)小麥,每年產(chǎn)生的大量麥草秸稈是一種潛在的生物質(zhì)資源。然而,對麥草秸稈采用燃燒、還田及飼養(yǎng)牲畜等傳統(tǒng)的利用方式,不僅污染環(huán)境,還造成資源的巨大浪費。目前,鮮有學者對關(guān)中麥草秸稈進行熱解研究,本文以關(guān)中麥草秸稈為研究對象,利用TG-FTIR聯(lián)用技術(shù)研究麥草秸稈及其主要組分的熱解行為、產(chǎn)物及其熱解反應(yīng)動力學,同時考察熱解工藝參數(shù)對關(guān)中麥草秸稈熱解特性、產(chǎn)物及其動力學參數(shù)的影響。本論文的主要研究工作如下：(1)對關(guān)中麥草秸稈進行詳盡的物化特性分析,結(jié)果表明其具有高揮發(fā)分、低灰分、C、O、H含量高的特點,具有良好的燃料特性；原料主要由一些帶有不同含氧官能團的酸類、烷烴、脂肪族、芳香族化合物組成。(2)通過TG-FTIR聯(lián)用技術(shù)對關(guān)中麥草秸稈在不同升溫速率下進行熱解,發(fā)現(xiàn)其熱解過程分為失水、半纖維素熱解、纖維素熱解及木素熱解等4個階段；熱解過程中的主要揮發(fā)性產(chǎn)物為H2O、CH、CO2、CO小分子氣體以及芳香族、酸類、酮類、醛類、醇類、烷烴、酚類和醚類等輕質(zhì)焦油組分。此外,還考察熱解工藝參數(shù)(熱解溫度、堿金屬含量、共熱解)等對其熱解特性及產(chǎn)物的影響。(3)對關(guān)中麥草秸稈中的纖維素、半纖維素和木素等主要組分進行提取分離,通過TG-FTIR聯(lián)用技術(shù)對各組分的熱解特性、產(chǎn)物進行研究,研究發(fā)現(xiàn)各組分熱解特性差異顯著,半纖維素主熱解溫度范圍為180-390℃,纖維素的主熱解溫度范圍為256～412℃,木質(zhì)素的降解發(fā)生在較廣的溫度范圍；纖維素熱解的產(chǎn)物包含H2O、CO、CO2和含CH鍵的烴類及含C=O鍵的酸、醛和酮等物質(zhì),半纖維素熱解的主要產(chǎn)物為CO2、CH4、H2O、CO和一些酸類、醛類(C=O)、烷烴類(C—C)和酯類(C—O—C)等有機物；木質(zhì)素熱解的主要產(chǎn)物為H2O、CO2甲醛、酚類、甲醇及烷烴類化合物。(4)采用等轉(zhuǎn)化率無模式函數(shù)法中的FWO、KAS及Kissinger法對關(guān)中麥草秸稈熱解的表觀活化能進行估算,結(jié)果發(fā)現(xiàn)FWO、KAS法表觀活化能大小均約為202 kJ/mol,略高于Kissinger法熱解表觀活化能171.12 kJ/mol;假定熱解反應(yīng)級數(shù)為1,采用C-R法對其主要組分的熱解動力學進行分析,結(jié)果表明半纖維素和纖維素在其主熱解區(qū)的表觀活化能分別為49.53 kJ/mol和49.53 kJ/mol,木質(zhì)素在45-116℃的溫度區(qū)間內(nèi),其表觀活化能值為34.48 kJ/mol。關(guān)中麥草秸稈熱解制取燃料和化學品前景廣闊,通過對陜西關(guān)中麥草秸稈的熱解特性及動力學分析研究,可為該生物質(zhì)資源的裂解氣化提供技術(shù)依據(jù)；并為優(yōu)化生物質(zhì)熱解工藝參數(shù)、改進熱解設(shè)備及與氣化工藝組合生產(chǎn)高品質(zhì)生物質(zhì)燃氣提供技術(shù)支撐,這對提高生物質(zhì)資源利用效率和繁榮區(qū)域經(jīng)濟具有重要意義,但仍有待對關(guān)中麥草秸稈的熱解反應(yīng)機理及能源利用率作進一步研究。
【關(guān)鍵詞】：陜西關(guān)中麥草秸稈 熱解 動力學 熱解機理 熱解炭
【學位授予單位】：陜西科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK6
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 符號說明9-13
• 1 引言13-27
• 1.1 研究背景13
• 1.2 生物質(zhì)能概況13-15
• 1.3 生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)15-17
• 1.4 生物質(zhì)熱解技術(shù)研究綜述17-23
• 1.4.1 生物質(zhì)熱解技術(shù)原理17-20
• 1.4.2 生物質(zhì)熱解技術(shù)研究進展20-22
• 1.4.3 生物質(zhì)熱解動力學研究進展22-23
• 1.5 課題研究目的及內(nèi)容23-27
• 1.5.1 研究目的23-24
• 1.5.2 研究內(nèi)容24-27
• 2 關(guān)中麥草秸稈熱解特性及其產(chǎn)物研究27-49
• 2.1 關(guān)中麥草秸稈物料特性分析27-31
• 2.1.1 原料來源及樣品制備27
• 2.1.2 工業(yè)分析、元素分析及熱值計算27-28
• 2.1.3 化學組分分析28-30
• 2.1.4 堿金屬及堿土金屬元素含量分析30-31
• 2.2 關(guān)中麥草秸稈熱解氣體產(chǎn)物研究31-34
• 2.2.1 研究目的及方案31
• 2.2.2 實驗裝置31-32
• 2.2.3 關(guān)中麥草秸稈熱穩(wěn)定性研究32-33
• 2.2.4 關(guān)中麥草秸稈熱解產(chǎn)物研究33-34
• 2.3 過程參數(shù)對熱解特性及產(chǎn)物的影響34-41
• 2.3.1 熱解溫度對熱解產(chǎn)物分布的影響34-35
• 2.3.2 升溫速率對熱解特性的影響35-36
• 2.3.3 堿金屬及堿土金屬含量對熱解特性的影響36-37
• 2.3.4 共熱解對熱解特性及產(chǎn)物分布的影響37-41
• 2.4 關(guān)中麥草秸稈中各組分的熱解特性及產(chǎn)物研究41-47
• 2.4.1 關(guān)中麥草秸稈中各組分的提取分離工藝41-42
• 2.4.2 關(guān)中麥草秸稈中各組分的化學結(jié)構(gòu)表征42-44
• 2.4.3 關(guān)中麥草秸稈中各組分的熱解特性研究44-45
• 2.4.4 關(guān)中麥草秸稈中各組分的熱解產(chǎn)物研究45-47
• 2.5 本章小結(jié)47-49
• 3 關(guān)中麥草秸稈熱解反應(yīng)動力學研究49-59
• 3.1 關(guān)中麥草秸稈熱解反應(yīng)動力學分析49-53
• 3.1.1 熱解動力學分析方法49-50
• 3.1.2 關(guān)中麥草秸稈熱解表觀活化能的估算50-53
• 3.2 工藝條件對熱解反應(yīng)動力學參數(shù)的影響53-56
• 3.2.1 堿金屬及堿土金屬含量對熱解動力學參數(shù)的影響54
• 3.2.2 共熱解工藝對熱解動力學參數(shù)的影響54-56
• 3.3 關(guān)中麥草秸稈各組分熱解動力學參數(shù)分析56-57
• 3.3.1 各組分熱解動力學參數(shù)的估算56
• 3.3.2 各組分熱解動力學參數(shù)分析56-57
• 3.4 本章小結(jié)57-59
• 4 關(guān)中麥草秸稈熱解炭的特性表征59-65
• 4.1 實驗部分59-61
• 4.1.1 實驗原料59
• 4.1.2 實驗儀器59
• 4.1.3 熱解炭的制備條件及方法59-60
• 4.1.4 熱解炭的XRD衍射實驗60
• 4.1.5 熱解炭的SEM表征實驗60-61
• 4.1.6 熱解炭的比表面積測定實驗61
• 4.2 結(jié)果與討論61-64
• 4.2.1 熱解溫度對熱解炭產(chǎn)率的影響61
• 4.2.2 熱解炭的SEM分析61-63
• 4.2.3 熱解炭的XRD分析63
• 4.2.4 熱解炭的比表面積分析63-64
• 4.3 本章小結(jié)64-65
• 5 總結(jié)與展望65-67
• 5.1 結(jié)論65
• 5.2 創(chuàng)新點65-66
• 5.3 展望66-67
• 致謝67-69
• 參考文獻69-77
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文目錄77-79

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本文編號：829394