小麦秸秆热解特性研究及其动力学分析

【摘要】：在能源和环境的双重压力下，生物质能的开发利用逐渐得到重视，热解技术是开发利用生物质能的基础。本研究采用热重分析仪对麦秸进行热解实验，分别研究了实验条件（麦秸粒径和升温速率）、预处理方法（水洗、酸洗、碱洗、微波和超声处理）、催化剂（碱金属盐、碱土金属盐、过渡金属盐、Al2O3、Al2O3-Na2CO3）对麦秸热解过程的影响，用动力学分析方法对麦秸热解过程进行了分析，求得麦秸热解动力学三因子—热解机制函数、活化能和指前因子，随后研究了麦秸与不同品种煤（烟煤和无烟煤）的共热解特性，分析掺混比对共热解过程的影响，并用单一升温速率法对热解过程进行动力学分析。研究结果如下： （1）分析不同粒径麦秸在不同升温速率下的热重-微分热重（TG-DTG）曲线得出，麦秸热解的最佳粒径为0.1~0.25mm，最佳升温速率为10℃/min。以单一升温速率法中Coats-Redfern法和Achar法确定麦秸热解过程机制函数为第6号函数，积分形式机理函数为g(α)=[1-(1-α)1/3]2，微分形式机理函数为f(α)=1.5(1-α)2/3[1-(1-α)1/3]-1，反应级数n=2，热解过程为三维扩散（球形对称）机制控制，遵循Jander方程，热解活化能在120~170kJ/mol之间，用多重升温速率法验证求得的结果较为准确。麦秸热解过程表观活化能Ea和指前因子lnA随转化率α的变化趋势一致，说明热解过程中存在动力学补偿效应。0.1~0.25mm麦秸在10℃/min升温速率下的TG-DTG曲线表明麦秸热解过程主要分为四个阶段：干燥阶段、预热阶段、挥发分析出阶段和碳化阶段。 （2）预处理中的水洗和酸洗可以提高麦秸热解产物中挥发分含量，降低热解活化能。碱处理使麦秸热解过程向低温区域移动，如氢氧化钠可使麦秸热解活化能从151.44kJ/mol降至84.09kJ/mol。微波和超声处理能够改变麦秸颗粒内部的空隙结构，促进麦秸热解，降低活化能。水洗、盐酸、磷酸、微波和超声处理后麦秸热解最概然机制函数为第7号函数，经硫酸处理后热解机制函数为第17号函数；经氢氧化钾和碳酸钠溶液浸泡后，麦秸主热解阶段所遵循的最概然机制函数为第9号函数，氢氧化钠使麦秸热解机制函数变为第36号函数。 （3）碱金属盐和CaCO3能促进麦秸中半纤维素的分解，使热解DTG曲线中位于低温区域的肩峰消失。FeSO4和ZnSO4能够降低麦秸热解速率。Al2O3和Al2O3-Na2CO3使麦秸热解起始温度向高温区域移动，Al2O3可明显增大麦秸热解速率。在无机金属盐的催化作用下麦秸热解过程最概然机理函数为第7号函数，积分形式机理函数g(α)=1-2α/3-(1-α)2/3，微分形式机理函数f(α)=3/2[(1-α)1/3-1]-1，热解由三维扩散（圆柱形对称）机制控制，并且遵循G.-B.方程，FeSO4、ZnSO4、CaCl2和MgSO4能降低麦秸热解的表观活化能，其中FeSO4的效果最为明显，使活化能从135.66kJ/mol降至113.66kJ/mol。Al2O3单独作用时麦秸热解机制函数为第2号函数，热解过程由二维扩散控制，遵循Valensi方程，热解活化能增加。 （4）麦秸与烟煤（无烟煤）的共热解过程中存在协同作用，麦秸对煤的热解过程同时存在促进和抑制作用，当麦秸掺混比较小时主要起促进作用，麦秸掺混比高时抑制作用较为明显。烟煤与麦秸共热解过程的机制函数为第7号函数，热解活化能位于165~175kJ/mol之间。当无烟煤与麦秸质量比为8:2时，共热解机制函数为第9号函数，热解活为203.86kJ/mol。当无烟煤与麦秸质量比为5:5和3:7时，共热解机制函数为第2号函数，热解活化能位于160~170kJ/mol之间。 【关键词】：小麦秸秆 热解 热分析动力学 预处理 催化剂 煤
【学位授予单位】：吉首大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 第1章 绪论14-27
• 1.1 引言14
• 1.2 生物质能概述14-19
• 1.2.1 生物质能特点15
• 1.2.2 生物质能开发利用技术15-17
• 1.2.3 国内外生物质能开发利用现状17-19
• 1.3 生物质热解19-25
• 1.3.1 生物质热解技术19-20
• 1.3.2 国内外生物质热解研究现状20-24
• 1.3.3 生物质热解动力学24-25
• 1.4 研究目的和意义25-27
• 1.4.1 研究目的25
• 1.4.2 研究意义25-27
• 第2章 不同实验条件对麦秸热解特性的影响27-34
• 2.1 实验27-29
• 2.1.1 材料处理及工业分析27-28
• 2.1.2 实验仪器及方法28
• 2.1.3 热分析动力学方法28-29
• 2.2 结果与分析29-31
• 2.2.1 粒径对麦秸热解过程的影响29-30
• 2.2.2 升温速率对麦秸热解过程的影响30-31
• 2.3 麦秸主热解阶段的热分解动力学31-33
• 2.3.1 主热解阶段机制函数的推断31
• 2.3.2 不同实验条件对麦秸热解动力学参数的影响31-32
• 2.3.3 不同转化率下的动力学参数32-33
• 2.4 小结33-34
• 第3章 预处理对麦秸热解特性的影响34-40
• 3.1 实验34-35
• 3.1.1 实验材料及仪器34
• 3.1.2 实验方法34-35
• 3.1.3 热分析动力学方法35
• 3.2 结果与分析35-38
• 3.2.1 酸洗对麦秸热解过程的影响35-36
• 3.2.2 碱洗对麦秸热解过程的影响36-37
• 3.2.3 微波、超声处理对麦秸热解过程的影响37-38
• 3.3 预处理对麦秸热解动力学参数的影响38-39
• 3.4 小结39-40
• 第4章 无机金属盐对麦秸热解特性的影响40-46
• 4.1 实验40-41
• 4.1.1 实验材料与仪器40-41
• 4.1.2 实验方法41
• 4.1.3 热分析动力学方法41
• 4.2 结果与分析41-44
• 4.2.1 碱金属盐对麦秸热解过程的影响41-42
• 4.2.2 碱土金属盐对麦秸热解过程的影响42-43
• 4.2.3 过渡金属盐对麦秸热解过程的影响43
• 4.2.4 复合型催化剂对麦秸热解过程的影响43-44
• 4.3 无机金属盐对麦秸热解动力学参数的影响44-45
• 4.4 小结45-46
• 第5章 麦秸与煤热解特性研究46-54
• 5.1 实验46-47
• 5.1.1 材料处理及工业分析46-47
• 5.1.2 实验仪器及方法47
• 5.1.3 热分析动力学方法47
• 5.2 结果与分析47-50
• 5.2.1 烟煤和无烟煤单独热解实验结果47-48
• 5.2.2 不同掺混比对烟煤与麦秸共热解实验过程的影响48-49
• 5.2.3 不同掺混比对无烟煤与麦秸共热解实验过程的影响49-50
• 5.3 麦秸与煤热解过程动力学分析50-52
• 5.3.1 煤单独热解机制函数的推断50-51
• 5.3.2 麦秸与煤共热解过程动力学参数的计算51-52
• 5.4 小结52-54
• 第6章 结论、创新点与展望54-57
• 6.1 结论54-55
• 6.2 创新点55
• 6.3 不足之处55
• 6.4 展望55-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-63
• 作者在学期间取得的学术成果63-64
• 附录 40 种常见动力学机理函数表64-65

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