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。     

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%。     

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。     

生物质高温热解气、液、固三相产物及碳烟生成特性

为了研究生物质高温热解气化特性,特别是在此过程中碳烟的形成机理,在一维沉降炉内对麦秆和杨树木屑于900~1 300℃进行高温热解,收集热解产生的气、液、固三相及碳烟产物,对热解产物的产率(产物与生物质干基的质量比)、形貌及组分进行分析,对比了两种生物质热解产物特性并重点分析热解碳烟的形成机理。结果表明,麦秆、木屑热解碳烟的产率随着温度的升高而升高,分别为0.28%~2.40%和0.34%~6.30%,热解焦炭的产率随着温度的升高逐渐降低,分别为2.8%~7.3%和0.29%~2.9%。木屑由于具有较高的木质素和纤维素组分,会产生更多的碳烟;麦秆由于具有高灰分和抽提物含量,会生成更多的焦炭。麦秆的不凝性气体产率为47%~69%,木屑的为59%~77%,热解产气率总体随温度的升高而升高。两种生物质热解的焦油产率均低于1.6%,温度升高至1 200℃时焦油完全转化,焦油的组分几乎均为芳烃类物质。生物质的热解过程中,在900~1 100℃时,碳烟的形成为小分子烃类气体裂解和大分子焦油缩聚机理共同作用的结果,在温度超过1 100℃时,增长的碳烟主要是通过小分子烃类气体裂解的途径生成。     

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.     

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。     

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.     

钾、钙和镁金属盐对生物质热解的影响

以生物质樟子松酸洗样品以及构建生物质的纤维素、半纤维素和木质素三大组分为研究对象,通过热重分析仪研究了K、Ca和Mg金属盐(KCl、Ca Cl2和Mg Cl2)对实验样品的热解影响以及催化效果.结果表明:Ca Cl2的添加能抑制热解过程中的缩合反应,使得半纤维素和樟子松酸洗样品的热解失重曲线出现"肩"状峰,低分子化合物更易逃逸,促进了热分解过程;Mg Cl2的添加对纤维素的热解有一定的催化效果,使其最大热解失重速率以及所对应的热解温度都逐渐降低,但是对半纤维素的热解过程影响较小;KCl对生物质三大基本组分的影响虽然很小,但对樟子松酸洗样品表现出较好的热解催化效果.     

辐射松和稻壳及其三组分热重动力学

利用热天平对两种植物生物质(辐射松和稻壳)及其三组分半纤维素、纤维素和木质素分别在不同的升温速率下进行热重分析,调查这些样品随热解温度的失重情况以及热解动力学.随着升温速率的增加,半纤维素的DTG曲线表现出不同于其他实验样品的规律,即DTG曲线的峰值向低温区移动.使用Kissinger微分法、FWO法和Popescu法联合对热解数据进行分析,分别计算反应活化能E和指前因子A,以及最可几机理函数,其中Jander方程G(α)=123[1-(1-α)]为纤维素、辐射松和稻壳的最可几机理函数,反Jander方程123G(α)=[(1+α)-1]为半纤维素和木质素的最可几机理函数,可以较好地解决植物生物质及其三组分的动力学参数的求算.     

木质纤维原料各组分温和液化行为

为开发可再生资源和缓解能源危机,研究了木质纤维原料的常压温和液化过程。在浓硫酸催化下,将甘蔗渣、甘蔗渣综纤维和甘蔗渣纤维素在乙二醇中130~190℃液化。对不同液化条件下残渣率、产物质量分布和红外谱图的分析。结果表明:在较低温度下,纤维素不易液化,半纤维素和木质素易液化;在较高温度下,纤维素可有效液化,木质素和半纤维素易发生再聚合形成不溶残渣;先较低温度再较高温度两步液化可有效降低残渣率。纤维素和半纤维素液化产物主要分布在水相;木质素产物主要分布在丙酮相;残渣同时来自三种组分。     

黑液的热失重特性及其动力学分析

采用热重分析法对黑液固形物样品的热解行为进行了研究,分析了黑液在不同升温速率时的热解特性,并与纯碱木素的热解特性进行对比.结果表明:黑液的热解过程可以分为4个阶段,且在低温区和高温区各有一个强烈失重峰,黑液中糖、有机酸以及碱金属盐对黑液热解特性存在一定的影响;而纯碱木素的热解过程由脱水、保持、剧烈失重和缓慢失重4个区域组成,热解开始较早,但持续时间较长.黑液的热解特性与纯碱木素的有一定差别.在实验的基础上,根据Coats-Redfern法描述了热解过程,计算了黑液和纯碱木素样品在不同升温速率下的热解动力学参数.动力学研究结果表明:黑液有机物热解的主要区域的反应级数为4,活化能和频率因子随加热速率的提高而轻微上升.     

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。     

毛竹酶解/温和酸解木素的热解特性

为有效利用竹材,进行毛竹全组分和木素单组分热解行为的研究,提出单组分木素的热解规律及其对毛竹全组分热解的影响.采用热重分析法对毛竹酶解/温和酸解木素(EMAL)的热解行为进行了研究,并与丙酮抽提后毛竹全组分的热解行为进行了对比.探讨了升温速率和热解温度对毛竹EMAL热失重行为的影响.利用Coats-Redfern法描述毛竹EMAL的热解过程,建立了动力学模型并通过计算得到了热解动力学参数.研究结果表明毛竹EMAL热解反应的主要温度范围是150～600℃,其热解动力学模型可用一级反应表征,所得活化能随升温速率的增大而增加.     

夏威夷果壳热解特性实验研究

夏威夷果壳是一种农产品加工剩余物,随意处理会造成资源的极大浪费。采用同步热分析仪和红外光谱仪对夏威夷果壳的热解过程进行了研究,使用Coats-Redfern法计算了热解动力学。实验结果表明:夏威夷果壳的挥发分(78.67%)、木质素(42.81%)和C元素(47.45%)含量均较高,其主热解温度区间在275～410℃,热解总失重率为76.31%。随着升温速率的增加,热解反应的活化能和频率因子均增大,分别由58.737 kJ·mol~(-1)、11.689 min~(-1)增加到59.796 kJ·mol~(-1)、43.773 min~(-1),线性拟合系数均在0.99以上。傅里叶红外光谱仪对果壳热解固体产物进行了红外光谱分析,实验还表明夏威夷果壳的热解温度区间在300～500℃,热解过程主要是纤维素、半纤维素和木质素的解聚,与热重分析结果相一致。     

紫茎泽兰甲酸和乙酸木素的热解

为了利用紫茎泽兰这种外来入侵杂草,采用甲酸和乙酸溶液从其茎秆中提取了甲酸木素和乙酸木素,并在不同升温速率下对木素产品进行了差示扫描量热(DSC)和热重(TG)分析。结果表明:这2种木素具有类似的玻璃化温度(Tg),且升温速率对于玻璃化温度的测定无明显影响。2种木素在氮气氛围下的非等温热解过程可分为4个阶段,其中200～450℃为主要热解阶段。进一步的热解动力学研究发现这2种木素的热解反应在主要热解阶段的低温区(200～300℃)为表观1级反应,而高温区(300～450℃)为表观2级反应。     

Structure properties of pyrolytic lignin extracted from aged bio-oil

Fast pyrolysis is a promising technology that can convert biomass into liquid.Bio-oil is one such product,known not only as a greenhouse gas-neutral energy source,but also an opportunity to reduce reliance on fossil fuels.Pyrolytic lignin,a fine homogeneous powder,is the water-insoluble fraction of bio-oil and it contributes to the instability of bio-oil.Additionally,pyrolytic lignin can be used in commercial materials such as adhesives in the wood-based panel industry.This paper presents the structural characterization of pyrolytic lignin extracted from aged bio-oil and the relationship between its properties and the treatment temperature of the aged bio-oil.Pyrolytic lignin samples were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy,gel permeation chromatography,differential scanning calorimetry,thermogravimetric analysis and proton nuclear magnetic resonance spectroscopy.The average molecular weight of pyrolytic lignin increased from 700 to 1000 g/mol with increasing aging temperature (6-50°C).Differential scanning calorimetry showed that the glass transition temperature of pyrolytic lignin increases with lower heating rate and higher treatment temperature of bio-oil.An increase in the initial decomposition temperature and the temperature at 95 wt% weight loss of the aged pyrolytic lignin in thermogravimetry were observed for the bio-oil aged at higher temperature.An increase in residue weight of aged pyrolytic lignin was found in bio-oil aged at higher temperatures.     

木屑及其水解残渣快热解特性研究

生物质水解残渣中主要含有木质素和少量未水解完全的纤维素和半纤维素。研究了木屑以及水解残渣在氮气氛围下的TG和DTG曲线,着重探索残渣的裂解特性,并与木屑的热解特性作了比较,给出残渣热裂解一级平行动力学模型及其频率因子和活化能。研究表明:木质素是木质纤维素类热裂解产生焦碳的主要来源。随着升温速率的提高,生物质热裂解温度和速率明显提高。     

粉煤热解过程的温度相关模型

探讨了煤种、粒径、加热终温等几个主要因素对沉降炉中煤粉快速热解过程和差热天平中的慢速热解过程的影响，分析比较了慢速热解及快速热解中挥发分组分及其总体的析出过程。     

不同粒径城市污泥热解和燃烧动力学研究

采用德国耐驰公司STA 409pc热重分析仪,对3个不同粒径的污泥颗粒(d≤0.25mm,0.25mm0.83mm)以升温速率20℃/min在纯氮和空气气氛中进行实验,并对污泥进行了元素分析和工业分析,对金属的含量进行测定.采用MATLAB 7.11.0(R2010b)中的surface fitting tool进行平面拟合的方法计算了相关的动力学参数.结果表明,污泥的热解可以分为3个阶段:水析出阶段(100～180℃)、挥发份热解阶段(205～550℃)和部分难挥发有机物与无机物的降解阶段(550～900℃).而污泥的燃烧可以分为4个阶段:水析出阶段(100～180℃)、挥发份的燃烧阶段(180～475℃)、碳燃烧阶段(475～595℃)和无机盐分解阶段(595～900℃).不同粒径下污泥热解第2阶段活化能约为48kJ/mol,反应级数为1.5～1.8.燃烧第2阶段的活化能约为33kJ/mol,反应级数为1.1～1.8.燃烧第3阶段活化能约为176kJ/mol,反应级数为1.1～1.2.     

废弃电路板环氧树脂真空热解及产物分析

在真空条件下,应用程序升温的管式炉反应器对废弃电路板中环氧树脂热解规律进行研究,考察不同的热解终温、升温速率、真空度(压力)及保温时间等各种因素对产物产率的影响.此外,利用傅里叶红外(FT-IR)和气质联用(GC/MS)技术对热解油产物进行表征分析.实验结果表明:温度对产物产率的影响最大,升温速率、真空度及保温时间对热解产物产率也有重要影响.选择适当的热解温度(400～550 ℃)、升温速率(15～20 ℃/min)、真空度(压力15 kPa)及保温时间(30 min)有利于提高热解液体产品的产率;热解油的主要成分是酚类物质,其总含量为84.08%,其中,含溴化合物含量为15.34%.