熔盐热裂解水稻秸秆动力学及试验

【摘要】：生物质是一种重要的可再生资源,而生物质热裂解作为一种重要的热化学转换技术,是生物质能源化转换利用研究中的重点之一。热裂解动力学研究可为生物质高效热化学转化技术研究提供理论基础,对设计热裂解反应器、优化热裂解工艺流程、探索热化学转化机理和开发热化学转化技术具有重要意义。本文以熔盐作为生物质热裂解的热载体、催化剂和分散剂,开展了以水稻秸秆为生物质原料热裂解的动力学及热裂解制生物油的试验研究。 本文采用热重分析法(TGA)对水稻秸秆热裂解特性进行了研究,考察了升温速率、样品颗粒尺寸、原料预处理方式对水稻秸秆热裂解特性的影响规律,计算了相应的动力学参数;探讨了Mg、Ca、Li的氯化盐及K、Na的碳酸盐作用下水稻秸秆的热裂解动力学规律;采用两步平行和连串反应动力学模型来描述熔盐热裂解生物质的过程,选择了6种常用的固体反应动力学机理函数,通过多元非线性拟合计算得到动力学参数。结果表明,当粒径较小时,热裂解反应以一次反应为主导,残留率低;当颗粒粒径较大时,二次反应加剧,残留率高。快速升温有助于挥发分的析出。水洗和酸洗对水稻秸秆热裂解活化能的影响较大。水稻秸秆挥发分初始析出温度及终止温度均随盐质比的增大而降低。MgCl_2和NaCl作用下水稻秸秆的热裂解为Fn类型的简单n级两步平行反应;其他熔盐作用下的热裂解为两步连串反应,且平行反应模型的活化能要高于连串反应模型的活化能。MgCl_2-NaCl、CaCl_2-LiCl-NaCl及KCl-LiCl-NaCl对水稻秸秆热裂解的促进作用较明显。 在分析熔盐作用下水稻秸秆热裂解动力学的基础上,选择KCl-LiCl和KCl-LiCl-NaCl两种熔盐体系,在自行设计加工的反应器中进行熔盐热裂解水稻秸秆的试验研究,考察了生物质原料种类、熔盐组成和裂解温度等因素对水稻秸秆热裂解过程的影响规律。采用气相色谱(GC)和气质联用仪(GC-MS)分别对其热裂解的气相、液相产物进行组分分析。结果表明,温度对生物质的热裂解的影响较大;生物质原料及熔盐组成影响着热裂解产物产率分布和生物油组成。气相产物主要成分为H2、CO、CO2、CH4,糠醛、酮类和酚类物质是液相产物的主要成分。本研究为熔盐热裂解生物质机理研究提供了基础理论依据。 【关键词】：生物质 熔盐 热裂解 动力学 热重分析
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X712
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 符号说明11-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 引言13-14
• 1.2 生物质能的来源14-16
• 1.2.1 能源作物14
• 1.2.2 废弃物14-16
• 1.3 生物质能开发利用技术16-17
• 1.4 国内外生物质快速热裂解液化技术的研究进展17-19
• 1.5 研究意义19-21
• 1.6 主要研究内容21-22
• 第二章 文献综述22-33
• 2.1 引言22
• 2.2 生物质热裂解动力学模型研究进展22-25
• 2.3 生物质在熔盐中的热裂解动力学研究25-27
• 2.4 生物质热裂解动力学研究方法27-32
• 2.4.1 生物质热裂解动力学基础理论28-29
• 2.4.2 生物质热裂解动力学多元非线性拟合计算29-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 生物质原料的基本性质分析33-41
• 3.1 引言33
• 3.2 生物质的元素分析33-34
• 3.3 金属离子含量分析34
• 3.4 生物质工业分析34-38
• 3.4.1 水分的测定35-36
• 3.4.2 灰分的测定36-37
• 3.4.3 挥发分的测定37
• 3.4.4 固定碳的测定37-38
• 3.5 生物质主要成分的定量分析38-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 生物质热裂解动力学的试验研究41-69
• 4.1 引言41
• 4.2 试验原料、仪器及方法41-42
• 4.3 粒径对生物质热裂解特性的影响42-44
• 4.4 升温速率对水稻秸秆热裂解特性的影响44-45
• 4.5 微晶纤维素及水稻秸秆的动力学分析45-47
• 4.6 预处理对生物质热裂解特性的影响47-52
• 4.6.1 预处理方法47-48
• 4.6.2 预处理方法对水稻秸秆热裂解热性的影响48
• 4.6.3 酸浓度对水稻秸秆热裂解热性的影响48-51
• 4.6.4 预处理对水稻秸秆热裂解动力学模型及其参数的影响51-52
• 4.7 熔盐对生物质热裂解特性的影响52-67
• 4.7.1 Mg~(2+)作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学53-58
• 4.7.2 Ca~(2+)作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学58-62
• 4.7.3 Li+作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学62-64
• 4.7.4 C0_3~(2-)作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学64-67
• 4.8 本章小结67-69
• 第五章 熔盐中生物质热裂解试验研究69-89
• 5.1 引言69-70
• 5.2 试验分析仪器及方法70-71
• 5.3 试验装置71
• 5.4 试验步骤71-72
• 5.5 原料及熔盐组成对热裂解产物分布的影响72-74
• 5.6 热裂解温度对熔盐热裂解生物质产物分布的影响74-77
• 5.7 载气流速对熔盐热裂解生物质产物分布的影响77-80
• 5.8 热裂解条件对生物油成分影响分析80-87
• 5.8.1 生物油的预处理80
• 5.8.2 原料及熔盐组成对生物油组分的影响80-85
• 5.8.3 热裂解温度对生物油组分的影响85-86
• 5.8.4 载气流速对生物油组分的影响86-87
• 5.9 熔盐中生物质的热裂解过程87
• 5.10 本章小结87-89
• 第六章 结论与建议89-92
• 6.1 结论89-91
• 6.2 建议91-92
• 参考文献92-98
• 致谢98-99
• 攻读硕士学位期间发表的论文99

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