典型海鲜废弃物热解特性及动力学研究

本研究采用热重分析手段，对鱼骨、蟹壳、虾壳三种典型海鲜废弃物的热解特性进行分析，研究不同升温速率(20、40、60℃/min)条件下热解过程的特征参数，分析原料成分组成对于海鲜废弃物热解特性的影响。基于热解特性参数对热解过程进行动力学分析，结合表观动力学参数并在对比多种机理模型的拟合效果基础上，确定了较为适宜的海鲜废弃物热解过程机理模型。结果表明，海鲜废弃物热解过程与其成分组成具有密切关联，TG-DTG曲线对比分析发现，有机质和无机盐含量是影响热解过程的重要因素。随着升温速率的提高,三种海鲜废弃物的热解特性参数具有一致的增长趋势。动力学研究发现，鱼骨主要热解过程符合一级化学反应机理，而蟹壳和虾壳在有机物分解阶段可由一段1.5级化学反应过程描述，分析认为，反应级数的差别与与海鲜废弃物中几丁质含量有关。表观活化能Ea随着升温速率的提高而增大，而活化能增量?E_α逐渐变小，可以推测采用不低于40℃/min的升温速率不会导致三种海鲜废弃物热解过程难度的增大并更具经济性。研究结果为海鲜废弃物热解处理技术的开发提供了基础过程特性数据。     

矿物质对煤显微组分热解的影响

用常压热天平考察了平朔气煤三种主要显微组分(镜质组、丝质组和稳定组)的热解特性及其原生矿物质和外加无机物对各显微组分热解的影响。用ST-03表面孔径测定仪测定了三种显微组分及焦样的比表面积。研究表明,各显微组分的热解反应性从强到弱的排列顺序为:稳定组>镜质组>丝质组;原生矿物质对各显微组分的热解具有抑制作用,对热解活化能也有影响,并使焦样的比表面积显著增加;外加CaO等无机物及其添加量对不同显微组分的热解有不同的影响,但都使焦样比表面积增加。用分段连续一级反应机理可以较好地描述各显微组分的热解过程,统一形式不同参数的动力学模型为dx_(ij)/dt_(ij)=k_(ij)(1-x_(ij))。     

平朔煤岩显微组分热解过程中HCN的生成

以平朔煤的三种有机显微组分为研究对象，使用石英玻璃管式反应器，在600℃～900℃范围内考察了程序升温热解和快速升温热解过程中HCN形成与释放的规律。实验结果表明,热解反应温度、升温速率和显微组分类型对HCN的释放均有较大的影响。热解温度越高，HCN在三种显微组分气相产物中的生成量越大；热解温度为900 ℃时，稳定组的HCN收率较大，热解温度为600 ℃时，镜质组的HCN收率较高，这和不同显微组分中氮的赋存形态有关；与慢速升温热解相比，快速升温热解有利于HCN的释放；与原煤热解过程中HCN的收率相比，显微组分在原煤中的百分含量不是HCN收率的权重系数，显微组分热解生成HCN的过程中有协同效应。     

蔗渣的热解与燃烧动力学特性研究

利用热重分析仪对蔗渣在不同升温速率下的热解、燃烧失重特性进行了研究。采用Friedman法对反应过程中可能存在的反应机理进行初步判断，蔗渣热解过程由其主要组分半纤维素、纤维素和木质素热解的三个独立的平行反应来描述，相应的反应活化能分别为203.92 kJ·mol-1、238.50 kJ·mol-1和77.11 kJ·mol-1； 蔗渣燃烧过程分为两段，第一段类似于其热解过程，第二段由木质素热解和残焦燃烧共同组成的连续反应，反应活化能为255.57 kJ·mol-1和159.11 kJ·mol-1。通过非线性回归法拟合获得的曲线与实验曲线基本一致，证实了蔗渣的热解、燃烧过程中存在着上述假定的反应机理。     

生物质热反应机理与活化能确定方法Ⅱ.热解段研究

在热重分析仪上研究了杉木木屑在不同升温速率下的热解过程,利用DAEM模型探讨了热解活化能随转化率的变化规律,采用傅里叶红外光谱仪分析了热解温度对木屑热解固体产物半焦有机结构的影响.结果表明,木屑慢速热解过程可分为干燥、过渡、热解和碳化段;热解段活化能为103 kJ/mol～179 kJ/mol,随转化率的升高而变化;温...     

玉米芯热解及过程分析

研究了农业废弃物玉米芯热解过程中气、液、固三相产率与裂解温度的关系；气相组成、液相组成与温度的关系，以及热解过程的机理。实验表明，在350℃～400℃，气相成分主要是CO2、CO所占比率为95%;随着温度的升高，H2、C2H4、CH4等气体的比率逐渐增高，CO、CO2的体积分数在逐渐降低。在450℃～500℃，CO、H2所占的比率达50%。GCMS，IR分析表明，裂解过程产生的液体主要是由含氧的化合物酚、呋喃及其衍生物组成；低温有利于酚类质量分数的增加，高温有利于4-乙基-2-甲氧基-苯酚、2-甲基-苯酚的增加；采用TGA分析，建立了热解过程的动力学方程，得到了热解过程的反应机理，即热解过程有两个分解阶段，在不同温度段具有不同的反应规律。在211℃～290℃具有三级反应的特征，其活化能为121.4kJ·mol－1；在290℃～418℃表现为0.5级反应的特征，其活化能为105.7kJ·mol－1。     

生物质秸秆热重分析及几种动力学模型结果比较

利用热重分析在不同升温速率和氮气气氛下对两种生物质（玉米秸秆和稻秆）的热失重行为进行了研究。根据热重实验数据，采用四种利用热分析获取动力学参数的方法（Coats-Redfern法，Doyle法，最大速率法和分布活化能模型(DAEM)），计算生物质秸秆热分解反应活化能E、反应级数n及频率因子A，并进行比较。结果表明，采用不同的处理方法，得出的热分解动力学参数不同。利用Coats-Redfern法，玉米秸秆和稻秆在热解主要阶段（失重约5 w%～80 w%时）可由一段一级反应过程描述，升温速率10 K/min时活化能值分别为68.8 kJ/mol和70.0 kJ/mol。Doyle法和DAEM模型得到的结果较为接近，可以得到生物质热解过程中的活化能随失重率的变化曲线。生物质秸秆热解包含分子键能断裂的一系列复杂、连续反应过程。     

竹材非等温热解动力学

利用热重分析技术对竹材在高纯N2条件下,从室温至1273K进行了非等温热解分析,研究了升温速率(5、10、20和40K/min)对热解过程的影响,探讨了其热解机理。研究表明,竹材非等温热解过程主要分为失水干燥、快速热解和缓慢分解三个阶段组成,其中第二阶段是整个过程的主要阶段,析出大量挥发分造成明显失重。升温速率对热解过程有显著影响,随着升温速率的增加,最大热解速度增大,对应的峰值温度升高,热滞后现象加重,热解各阶段向高温侧移动。热解机理满足一维扩散Parabolic法则,反应机理函数为g(α)=α2。不同升温速率下活化能为75.32-82.99kJ.mol-1,指前因子为1.17×105-1.12×106min-1。     

煤岩有机显微组分热解过程中HCN和NH3生成规律的研究

经等密度梯度离心分离，从褐煤、长焰煤、气煤和贫煤四种不同变质程度煤中获得了高纯度的有机显微组分。用石英管式反应器在600 ℃～900 ℃考察了煤岩有机显微组分热解过程中HCN和NH3的生成规律。实验结果表明，在显微组分热解过程中HCN主要是挥发分二次裂解的产物。在镜质组热解过程中，煤的变质程度越高，HCN的生成率越低，热解温度越高，HCN的生成率越高；同一种煤三种有机显微组分热解过程中，HCN的生成不仅与显微组分挥发分的质量分数有关，而且与显微组分中氮的存在形态有关，在较低温度热解时吡咯型氮质量分数高的煤样HCN的生成率较高。显微组分热解过程中NH3来自于挥发分的二次热裂解，与焦的热裂解有关，随煤变质程度增高，镜质组热解过程中NH3的收率降低；对同一种煤三种煤岩有机显微组分，由于其黏结性不同，含氮官能团和氢自由基的接触几率不同，生成NH3的能力也不同，惰质组的NH3生成率最高，壳质组最低；温度对NH3的生成也有影响，800 ℃NH3的生成率最高，惰质组NH3的生成率为11.8%，壳质组NH3的生成率为5.2%。     

煤的多段加氢热解过程及机理分析

通过对不同停留方式加氢热解过程产物的详细分析，探讨了煤多段加氢热解过程的机理。结果表明，不同停留方式对热解产物的分布及性质有重要的影响，并使氢气的有效利用率相差很大。停留温度应选在煤热解产生自由基最多的温度范围（350－500℃）；于350℃停留段在挥发组分大量逸出的过程中产生丰富的孔隙，有利于后续加氢反应的进行；低温下的停留过程使气相中的氢优先与煤中的含氧官能团结合而生成酚类，从而避免了在更高温度下生成水；加氢热解半焦中化学官能团的断裂主要与热解温度有关，停留过程只是通过稳定热解产生的自由基和较重热解产物的进一步加氢而改变产物的分布和组成。     

煤及其显微组分热解过程中的半焦收缩动力学

采用显微热台对煤显微组分微粒进行热解, 通过在线拍摄的显微图片能够直观揭示出煤粒热解时呈现的两个阶段——脱挥发分和半焦收缩. 通过对显微图片的图像分析, 获得了煤粒面积随温度变化的热解曲线. 结果表明, 半焦收缩过程由缓慢收缩、过渡收缩和快速收缩三个阶段构成, 活化能、指前因子及速率常数皆随三个阶段依次增大, 其原因在于各段的化学键断裂种类及其键能、生成的自由基碎片及缩聚反应存在不同特点. 就半焦收缩而言, 镜质组的速率常数大于惰质组; 变质程度较低的神东煤及其显微组分的速率常数大于平朔煤及其对应显微组分,即前者显示出较强的半焦收缩反应性.     

丁醇醛和丁醇酸热解形成CO和CO2机理的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法B3LYP/cc-pVTZ,对模型化合物2,3,4-羟基丁醛的脱羰基和2,3,4-羟基丁酸的脱羧基反应机理进行了量子化学理论研究。对两种模型化合物分别设计了三种热解反应途径,计算了不同温度下各热解反应途径的标准热力学及动力学参数。计算结果表明,纤维素热解过程中CO₂和CO的逸出分别与脱羧基和脱羰基反应相对应,脱羧基和脱羰基反应均为分子内氢原子转移的协同过程。脱羰基反应是吸热反应,而脱羧基反应是放热反应。饱和丁醇醛的脱羰基反应反应能垒为288.8 kJ/mol,脱水后的不饱和烯醇醛的脱羰基反应能垒增大;饱和丁醇酸的脱羧基反应能垒较高,为303.4 kJ/mol,脱水后的不饱和烯醇酸的脱羧基反应能垒明显减小,这说明脱水有利于CO₂的生成。     

碳源甲基苯热裂解机理的密度泛函动力学研究

在热力学研究的基础上,用UB3LYP/3-21G^*方法对甲苯热裂解机理进行了动力学研究。计算得到了甲苯的5种热裂解路径的活化能。用过渡状态理论,计算得到了这些路径在298～1223K温度范围内的速率常数。动力学计算结果表明：甲苯在热解温度低于963K时的主反应路径为甲苯热裂解生成苄基自由基的反应,其速控步的活化能△E~0^θ^≠=402.27kJ/mol;当温度高于963K达1223K左右时,主反应路径转为苯环上脱甲基生成苯基和甲基自由基的路径,该路径的活化能△E~0^θ^≠=456.91kJ/mol。以上研究结果与实验结果相一致。     

1,1,2,2-四甲基-1,2-二氯二硅烷裂解机理的研究

利用量子化学知识对典型的二硅烷高沸物1,1,2,2-四甲基-1,2-二氯二硅烷的裂解机理进行理论研究。结果表明,在无催化剂和常温常压下,1,1,2,2-四甲基-1,2-二氯二硅烷以CHCl3作为裂解气的反应分为两步进行,均为放热反应,其速控步第一步的正反应活化能为352.949kJ/mol。     

Thermodynamic and thermokinetic study on pyrolysis process of heavy oils

Enthalpy of pyrolysis and its variation in the pyrolysis process of four heavy oils: Daqing vacuum residue (DQVR), Karamay vacuum residue (KRVR), Liaohe vacuum residue (LHVR), and Venezuela vacuum residue (VNVR), have been quantitatively studied by differential scanning calorimetry associated with thermogravimetry. The results indicate that overall enthalpies at different heating rates show a linear trend with respect to the final coke yields in the thermal analysis. Classical kinetic method (Friedman method) is used to further analyze pyrolysis enthalpy variation in the pyrolysis process and determine the thermokinetic parameters. The main stage of thermal reaction (conversion ranges from 0.1 to 0.9) could be described by 1.5 order reaction model for four heavy oils. The mean activation energies determined by Friedman method are 216.3, 194.9, 173.9, and 168.7 kJ mol^?1 for DQVR, KRVR, LHVR, and VNVR, respectively. It means that endothermic enthalpy of pyrolysis in the thermal process of VNVR is easier to change compared with other oil sample cases. For the sake of simplification of kinetic treatment, Sharp method is tentatively used to perform kinetic analysis. The comparison between results from two methods indicates that activation energies from Sharp method are valid to a certain degree under the condition that the mechanism of thermal process is properly chosen although isoconversional method (Friedman method) is recommended and thought to be the better way.     

Kinetic analysis of co-pyrolysis of cellulose and polypropylene

The present research work focuses on understanding the kinetics and mechanism of co-pyrolysis of cellulose, a major constituent of biomass, and polypropylene (PP) that is abundantly present in waste plastics. Co-pyrolysis of cellulose and PP of different compositions, viz., 100:0, 80:20, 60:40, 40:60, 20:80, and 0:100 (mass%/mass%), was carried out in a thermogravimetric analyzer at various heating rates from 5 to 180 K min^?1. The kinetics of slow to medium heating rate pyrolysis was analyzed using first Kissinger and Kissinger–Akahira–Sunose techniques. Cellulose and PP decomposition occurred in two distinct temperature regimes, viz., 575–650 and 675–775 K, respectively. However, apparent activation energies of thermal decomposition of the mixtures clearly indicated the presence of interaction between cellulose and PP. The presence of cellulose in the mixture decreased the apparent activation energy of PP decomposition from 210 to 120 kJ mol^?1, while the presence of PP did not affect the apparent activation energy of cellulose decomposition (E _a = 158 ± 3 kJ mol^?1). A significant decrease in apparent activation energy was observed in the conversion regime corresponding to the completion of cellulose pyrolysis and beginning of PP pyrolysis. Differential scanning calorimetry data clearly showed the shift of exothermic char formation to higher temperatures with PP incorporation in the mixture. The presence of PP also resulted in reduction of final char content. Based on the above analyses, a new interaction step that involves a bimolecular reaction of activated PP with volatiles from cellulose pyrolysis to form interaction products and char is proposed, and the rate limiting steps for char formation are clearly identified.     

低阶烟煤热解过程中氯的迁移释放特性研究

为探明氯元素在低阶烟煤热解过程中的释放机制行为,采用热重红外光谱质谱(TG-IR-MS)联用技术和管式热解炉,考察热解温度、粒径等级、升温速率对陕北低阶烟煤热解过程中氯的迁移转化行为特性的影响,并建立氯迁移释放动力学模型。红外光谱和质谱分析结果表明,陕北低阶烟煤热解气体产物中含氯组分主要为HCl和微量的Cl_2。管式炉热解过程中,相比于粒径和升温速率而言,氯的释放率受温度影响最为显著。在300-800℃,随着温度升高,煤中氯的释放率迅速增大,800℃时氯的释放率为49.5%;半焦中氯的分布率逐渐减小,焦油和热解气中氯的分布率逐渐增大。煤样粒径为3.0-4.0 mm时,氯的释放率达到最大值35.8%;粒径的变化也会一定程度影响热解产物中氯的分布率。提高热解升温速率有利于挥发分的释放,升温速率为15-25℃/min时,煤中氯的释放率变化趋势明显,但过高的升温速率不利于煤中氯的释放。热解焦油中氯元素主要以无机含氯化合物的形式存在,超纯水萃取可明显降低焦油中氯的含量。低阶烟煤中低温热解过程中,氯释放的活化能均在20 k J/mol左右。