纤维素与木质素共热解行为研究及产物分析

利用热重分析仪和居里点裂解-气相质谱联用仪进行纤维素和木质素共热解实验,研究纤维素和木质素共热解过程中的相互作用及热解产物分布情况.结果表明:纤维素与木质素共热解过程中存在明显的相互作用,与热解温度和混合比例具有一定相关性.纤维素质量分数较低(30%)时,木质素和纤维素共热解时促进残渣的形成,而抑制了气相产物的形成,并提高了酚的相对产率;纤维素质量分数较高(70%)时,木质素和纤维素在共热解过程中相互促进,抑制了固体残渣的形成和非芳基化合物的形成.在低温区(200～320℃),木质素易活化产生小分子,与纤维素共热解时形成相互促进的作用加速了热失重过程;在高温区,纤维素与木质素共热解促进了残渣的形成,抑制了热解过程.     

纤维素/木质素共热解过程中的气相反应

气相反应在生物质热解过程中是不可避免的,决定着生物质热解产物的形成与分布.通过纤维素和木质素共热解实验和理论计算研究了生物质热解过程中纤维素和木质素间的相互作用,为进一步深入理解生物质热解行为提供实验基础.结果表明：纤维素和木质素进行共热解时,各类产物分布与纤维素和木质素质量比具有密切关系,但并不能通过加权计算进行产物分布的预测.纤维素与木质素以任意质量比共热解时均抑制了CO的形成,而促进了CO₂和H₂O的形成;促进了C₁—C₅烃的形成,而抑制了大部分含氧化合物的形成;质量比为5∶5时促进了苯酚和烃基苯酚的形成;当纤维素比较低时,对芳烃的形成具有明显的促进作用,而纤维素与木质素质量比为7∶3时对芳烃的形成具有抑制作用.     

生物质三组分热解反应及动力学的比较

采用热重分析法考察了生物质中三种主要成分纤维素、半纤维素和木质素的热解反应行为,以Coats-Redfern积分法对实验数据进行动力学解析,建立了该三组分热解反应的动力学模型。结果表明,分子结构上的不同使得该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%,半纤维素模型化合物木聚糖的失重量为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;木质素和木聚糖的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。     

木质素热解的TG-FTIR实验研究

利用热重红外分析仪(TG-FTIR)对木质素进行热重分析及主要气相产物分析,并探讨了升温速率和碱金属盐对木质素热解过程的影响规律。结果表明：随着升温速率的增加,挥发分析出阶段DTG曲线的峰型变宽,热解起始温度、最大失重峰温均向高温侧移动,且较高的升温速率不利于气相产物的析出。添加碳酸钠、碳酸钙和碳酸钾对木质素热解主反应区反应速率的影响较小,相比碱金属盐的加入量而言最终热解固体产物略有增加,同时碱金属盐的添加对气相产物的析出有明显抑制作用。与其它两种碱金属盐相比,碳酸钙的加入对600~700℃温度区间内木质素热解产生的CO和CO₂产量有一定的促进作用。     

基于TG-FTIR和Py-GC/MS的生物质三组分快速热解机理研究

利用热重红外联用仪(TG-FTIR)和快速热解-气相色谱/质谱联用仪(Py-GC/MS),对生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)的热解失重规律、动力学和挥发分组分及其含量进行了对比研究。TG/DTG曲线表明,纤维素热解失重区间最窄,峰值处热解失重率最大;半纤维的最易发生降解,存在两个失重区间;而木质素热解过程最缓慢,热解温度范围最广。三维FTIR表明,纤维素热解主要产物为CO_2、醛类、酮类和酸类;半纤维素热解主要产物与纤维素一致,但是CO_2含量比其他几类组分高很多;木质素热解主要产物为CO_2和芳香烃类。Py-GC/MS分析表明,纤维素热解有机组分主要为呋喃类和脱水糖类,呋喃类产物在600℃时达到最大值43.34%,脱水糖类产物在500℃时达到最大值27.78%;半纤维素热解主要产物为酮类和呋喃类,两者含量随着热解温度增加呈逐渐下降趋势;木质素热解主要产物为酚类,总酚含量在热解温度500℃时达到最大值78%,其中愈创木酚型(G-型)酚的含量最高63.43%。     

热解过程中油页岩孔隙率变化规律

为预测原位热解工艺带来的水文地质环境变化,通过控制热解温度和时间的方法研究了不同热解程度油页岩的孔隙率变化规律。从油母质热解造成油页岩孔隙率变化的机理出发,结合油页岩的热解反应速率方程,建立了热解过程中油页岩的孔隙率变化定量模型,并将理论值与实验值进行了对比验证。结果表明:该模型计算结果与实验数据吻合良好,误差较小。可见该孔隙率定量模型能够较准确地计算热解过程中油页岩的孔隙率。     

适用生物质及煤热解CFD模拟的DAEM近似计算方法

生物质以及煤粒的复杂热解反应可用分布活化能模型(DAEM)模拟,但将此模型直接应用于计算流体力学(CFD)模拟计算量极大,因为在每个时间步中对每个计算网格都要计算多重积分。因此,本文提出了DAEM的近似计算方法以使其能够合并在CFD程序的计算中。简化后的模型能够较精确预测热解产物产率和生成速率;此外,改进后的模型的计算量大大减少,可适用于较宽泛的加热环境下,且模型预测结果与生物质或煤粒热解实验得到的结果能够很好的吻合。     

挤塑聚苯乙烯泡沫热解特性和动力学研究

基于热重红外分析仪对挤塑聚苯乙烯泡沫(XPS)的热解特性和动力学机理进行研究。在空气和氮气气氛下选取10、20、40、50℃/mim四种升温速率。改进的Vyazovkin方法用于计算XPS热解的活化能,多元非线性回归方法用于确定动力学模型和相应的动力学参数。结果表明,随着转化率的增加,XPS在空气中分解的活化能由128.3 k J/mol增加到159.2 k J/mol;而在氮气中XPS分解的活化能维持在171.1 k J/mol左右。XPS在空气中热解为连续的两步反应,可分别由二级反应模型(F2)和简单的Prout-Tompkins方程(B1)描述。在氮气中分解为单步反应,可由三维相界反应模型(R3)描述。通过对比非等温和等温条件下实验和计算得到的热重曲线,对反应动力学模型进行了验证。     

基于量子化学的玉米秸秆热解机理的模拟计算

建立了玉米秸秆的分子模型,并以此为研究对象,采用密度泛函理论B3LYP方法,在6～31g基组水平上,对其进行了热解反应机理研究。设计了玉米秸秆热解过程的4条初反应路径,并在分析初反应结果的基础上设计了14条次反应路径,对每条反应路径的反应物,过渡态,中间体以及产物均进行了结构优化和频率计算。计算结果表明:玉米秸秆热解初期半纤维素开始热解,木质素侧链轻微热解;初反应R1,R4反应焓变较小,分别为395. 77 kJ/mol和104. 70 k J/mol,认为玉米秸秆热解主反应路径以TS2及TS8次反应路径为主,其热解产物包括呋喃类,吡喃类,烷烯烃和芳香族化合物。     

大颗粒煤在移动床中的热解模型

应用煤热解的分布活化能机理,考虑热解热效应以及热解产物在煤粒内部的传热传质,提出了大颗粒煤在移动床中的热解模型,该模型可以预测煤热解过程析出挥发分分额,温度等参数在煤粒内的分布及其胡时间变化的规律,对大颗粒煤在移动床中对流和辐射传热条件下的热解进行了数值模拟,计算结果表明,大颗粒煤的热解必须考虑煤的热解热效应,而热解产物的传冷却放应则可以忽略,同时,讨论了煤粒表层和中心的热解状况以及颗粒直径,床层温度等参数对热解过程的影响。     

木质素单体模化物热解过程的理论分析

为了深入研究木质素的热解机理,选用香草醛、香草醇和香草酸作为木质素单体模化物模拟热解过程.运用密度泛函理论探讨不同化学连接键的解离顺序,并设计了4条反应路径(Path 1—Path 4):Path 1和Path 2都生成愈创木酚,但中间过程不同,Path 3和Path 4则分别以优先过程生成邻苯二酚和苯酚.结果表明:模化物的侧链甲基会优先解离生成CH_4,C_1取代基的解离顺序取决于其吸电子能力;在热解过程中,C_1取代基不易直接解离,而是会优先发生外界参与下的解离;3种目标产物(愈创木酚、邻苯二酚和苯酚)都是可能的,且会优先生成邻苯二酚,其次是苯酚,较难生成愈创木酚;从动力学角度分析,Path 2和Path 4要优于Path 1和Path 3进行;生成同种目标产物时总是香草醇最易进行,香草醛次之,最难进行的是香草酸.     

稀酸水解木质素的热失重特性及其动力学分析（修改稿）

利用热重分析法对稀酸水解木质素的热解行为进行了研究,探讨了这种工业木素在不同升温速率时的热解特性及升温速率对热解反应的影响,并根据微分热重曲线,建立了动力学模型,计算热解反应的动力学参数。结果表明：稀酸水解木质素的热解过程可以分为脱水、保持、剧烈失重和缓慢失重4个阶段,在低温区有一个强烈失重峰,根据Coats-Redfern法来描述热解过程并计算出稀酸水解木质素在不同升温速率下的热解动力学参数,其动力学模型可用2个一级反应表示。     

废轮胎粉的热解特性及其动力学模型

对废轮胎粉进行了热重和微商热重(TG/DTG)实验研究,结果表明废轮胎粉的热解主要失重区可以分为3个阶段:第1个阶段主要是少量水分和焦油的析出(热分解),以及增塑剂和其他一些有机助剂的热分解;第2个阶段主要是天然橡胶的热分解;第3个阶段则主要是合成橡胶的热分解.在TG/DTG实验研究的基础上,建立了废轮胎胶粉的热解动力学模型,得到了热解反应活化能和前指因子等参数,并采用积分法确定了热解失重速率函数f(α)在热解低温阶段和高温阶段的函数表达式.动力学模型计算结果与实验结果的对比一致.     

生物质组分在催化快速热解中的相互影响

对纤维素、半纤维素、木质素及3者不同配比的自配生物质样品进行了热重分析与热解-气象色谱-质谱试验。分析了这3种生物质组分与ZSM-5分子筛进行催化热解反应时的相互影响。结果表明尽管纤维素、半纤维素、木质素初级热解产物不同,但在与ZSM-5分子筛催化热解时最终产物基本一致,主要是芳烃类化合物。然而,木质素组分在催化剂表面形成大量积炭并导致催化剂失活。因此木质素组分会影响纤维素与半纤维素组分在催化热解中的转化,导致生物质的整体转化效率下降,并且抑制作用随木质素含量的提高和反应时间的延长而增强。研究结果表明需要对木质素含量较高的生物质进行预处理,选择性去除木质素,提高生物质整体转化效率,降低催化剂失活。     

油菜籽粕生物质热解过程特征研究

以油菜籽粕生物质为原料,采用电加热方式,研究了不同加热速率下的热解过程及产物产出规律,对热解产物中不凝气体的成分进行了分析,考察了加热速率对产物产出率的影响。结果表明：油菜籽粕的热解过程可分为水分蒸发、半纤维素热解、纤维素和木质素热解、木质素炭化4个阶段;加热速率的高低虽然对水分的蒸发过程特征没有影响,但在低加热速率下,生物质中不同的组分将在不同的反应温度区间内进行热解反应;不凝气体和冷凝液体两种热解产物主要在100~550℃之间析出,是半纤维素和纤维素的主要热解产物,它们的产出率与温度的关系具有不同的特征;不凝气体中可燃气体的体积分数随着反应温度的升高逐渐增多;当控制加热速率为4～6℃/min时,油菜籽粕的3种热解产物量均可以达到较理想的效果。     

油茶壳热解过程及(S)atava-(S)esták法动力学模型的研究

利用热重分析法在氮气气氛和不同升温速率下对油茶壳的热失重行为进行了研究.根据热重实验数据,采用(S)atava-(S)esták法,选取30种不同形式的动力学机理函数,并结合Ozawa积分法和Kissinger微分法的计算结果,筛选出最合适的动力学参数.结果表明:油茶壳的失重过程分为干燥、热裂解和炭化三个阶段.油茶壳在不同升温速率条件下的热解行为,热解机理符合Avrami-Erofeev方程(随机成核和随后生长),积分形式为[-ln(1-α)]3,平均活化能为79.59 kJ·mol-1.     

小型固定床实验台条件下的聚乙烯热解

废塑料的热解特性研究是垃圾热化学处理工艺设计的基础。该文利用小型可视化固定床对聚乙烯类塑料进行了热解实验研究,分析了废塑料的热解机理及反应过程,并结合统计理论建立了聚乙烯热解模型。实验结果表明:提高热解温度可以提高产气率、碳转化率和热效率;热解气热值随温度而变化,在973 K左右达到最大值;建立的热解模型可预测不同温度下聚乙烯热解产物分布,与化学反应动力学模型结合后可全面描述聚乙烯的热解过程。     

紫丁香基木质素二聚体模化物热解的动力学机理

紫丁香基木质素是一种重要的木质素,天然木质素也大多通过β-O-4键连接成网状结构,β-O-4型紫丁香基木质素二聚体模化物在前人研究的模化物基础上增加了多个甲氧基基团,更接近实际的紫丁香基木质素结构。在软件Materials Studio 2019的Dmol3模块中,基于密度泛函理论利用B3LYP杂化泛函,对β-O-4型紫丁香基木质素二聚体模化物在875 K、101 kPa条件下的热解反应路径进行模拟,计算每步反应的反应物与生成物的焓值,并通过Vibration Analysis模块进行频率分析确认只有实频,没有虚频;计算每步反应的焓变并对反应路径总焓变进行比较,总焓变越小表明该路径在热力学上越容易发生,进而得到其较具优势的反应路径,最终得到对应路径的热解产物。结果表明,β-O-4型紫丁香基木质素二聚体模化物在875 K、101 kPa下的初步热解较有可能发生Cα—Cβ键的断裂与β-O-4键的断裂,其中最可能发生β-O-4键的断裂;较具优势的反应路径包括总焓变为-59.65 kJ/mol的R4、总焓变为-219.44 kJ/mol的R10、总焓变为-14.93 kJ/mol的R12、总焓...     

生物质热解过程中焦油形成机理的研究

以组成生物质的纤维素和木质素为研究对象,考查了焦油的成分随温度的变化关系,并对焦油的形成机理进行探讨.实验结果发现:纤维素在热解过程中收集到的焦油组成主要以酸、醛、酮、酚为主,且随温度的增加,焦油组成中的酸、醛、酮、酚组份发生二次热裂解向苯、萘等芳香化程度增加的过程转化,而木质素在热解过程中收集到的焦油组成主要以苯、甲苯以及多环芳烃为主,且随温度增加,甲苯进一步向苯及多环芳烃进行转化.     

煤粉热解的挥发份组分析出模型

根据煤粉热解的化学反应机理，提出了一个新的挥发分级分析出模型，对层流电带流反应器内煤粉快速热解的挥发分析出特性进行了成功的模拟。