升温速率对生物质热解的影响

稻壳、稻秆及麦秆是中国主要的农业废弃物,如何综合、有效地利用这些农业废弃物进行资源化研究显得十分必要。热解是热化学转化中最为基本的过程,是气化、液化及燃烧过程的初始和伴生反应,对热解的分析有助于热化学转化过程控制及高效转化工艺的开发。目前,国内外对生物质及其组分的热解已有大量的研究,但对中国主要的农业废弃物稻壳、稻秆及麦秆的研究较少。本研究利用热重和红外联用技术深入研究了升温速率对三种典型生物质热解气体产物的影响,并对生物质的热解动力学及热解气体产物的析出规律进行实时在线分析。     

纤维素直接催化转化制乙二醇及其他化学品:从基础研究发现到潜在工业应用(英)

纤维素直接催化转化制乙二醇是一条极具吸引力的生物质转化途径,有助于减轻化石能源资源的消耗。综述了从该反应途径的发现到获得高效、高稳定性催化剂的快速发展过程。基于对钨基催化剂的大量研究结果,本文讨论了反应机制,明确了反应路径、催化剂状态、钨物种及加氢催化活性中心各自在串联反应中的作用。围绕该反应过程的工业化应用需要,讨论了有关原生木质纤维素生物质催化转化以及高效反应过程的发展策略。在此基础上,将纤维素催化转化制乙二醇过程与生物质发酵制丙酮-丁醇-乙醇的生物炼制路线进行整合,构建出一个理想的反应过程潜在应用范例。最后,对纤维素催化转化制乙二醇反应过程进行了总结和前景展望.     

预处理技术在生物质热化学转化中的应用

随着化石燃料的不断消耗和气候的变化,生物质能作为一种可再生能源越来越受到关注。生物质可以通过生物法和热化学法转化成有用的燃料,热化学转化技术因其可以将生物质高效地转化生成气体、液体和固体燃料使其占有主导地位。对生物质进行预处理可以改变其物理化学特性,并且这些改变影响着后期热化学转化生物质产品的品质和收率。本文综述了生物质预处理技术在热化学转化技术方面的应用进展。对生物质进行烘焙预处理改变其可磨性,疏水性。生物质热裂解之前对原料进行脱灰分减少了生物质中的灰分,改变了生物质热裂解液化的产品分布。预处理液化相对直接高压液化生物油收率大大提高,同时最优化反应温度也大大降低。     

水热炭化生物质与煤共热解和共气化特性研究

煤和生物质共热化学转化有助于当前化石能源系统的低碳化发展。本研究以烟煤和木质生物质为原料,研究煤和生物质共热解和共气化特性,并考察了不同水热炭化温度和生物质掺混比的影响。利用热重分析仪和在线质谱分析共热解和共气化的协同作用和氢气释放特性。采用Model-fitting方法,单独分析热解和气化阶段的整体反应动力学。结果表明,煤和生物质共气化阶段的协同作用显著强于共热解阶段。生物质比例越高,共气化协同作用越明显,水热炭化会削弱共气化的协同作用。共热解过程,H₂的产生受抑制。共气化过程可采用一级模型描述,而共热解过程需遵循n级反应模型。未处理的或轻度水热炭化的生物质与煤的混合物,共热解整体活化能和反应级数大于加权平均值,而其共气化的活化能变化趋势相反。重度水热炭化生物质与煤的混合物,共热解和共气化的活化能均接近加权平均值。     

序言

<正>力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标,是党中央深思熟虑的重大战略决策,实现“双碳”目标的技术创新也成为当前的研究热点。煤是中国最主要的化石能源,生物质是唯一可再生的含碳能源,煤和生物质协同热化学转化(热解、气化、燃烧等)是实现化石能源和非化石能源耦合高效利用的重要技术手段,对于实现“双碳”目标具有重要现实意义。目前,国内外研究人员围绕煤和生物质协同热化学转化展开了大量研究,并取得了积极研究进展。     

过渡金属催化的醇类脱氧脱水反应

开发和利用环境保护型的可再生新能源是缓和与解决能源环境问题的重要举措.生物质可作为燃料和可再生平台化学品的来源.高含氧量与过度官能化的生物质原料不能直接使用,因此降低生物质原料的含氧量并将其转化为燃料与增值化学品的方法是实现生物质能广泛应用的关键.还原脱氧的方法主要有热解、水解、氢解、脱羧/脱羰反应、加氢脱氧与脱氧脱水反应等.本综述详细介绍了铼、钼、钒、钌等四种过渡金属催化的由二元醇及多元醇制备相应烯烃的脱氧脱水反应,主要从均相催化、还原剂使用、机理研究和非均相催化等方面做了多角度的总结.铼催化的脱氧脱水反应具有选择性好和烯烃产率高等优点,钼、钒、钌等金属是可能替代昂贵的铼金属的催化剂.     

纤维素基生物质催化转化制备二醇

生物质作为最有潜力替代化石能源的可再生资源之一,受到日益广泛的重视。纤维素基生物质是催化转化为各种燃料和化学品的重要原料。近年来,二醇(包括乙二醇、丙二醇和丁二醇等)作为燃料和化学品广泛应用于各个领域,市场需求很大。传统制备二醇是以化石能源为原料,存在原料不可再生和环境污染大等缺点。因此采用非化石原料途径制备二醇受到越来越多的关注,其中以纤维素基生物质催化制备二醇是克服化石燃料短缺和减少环境污染的重要途径之一。本文系统总结了近年来以纤维素基生物质(纤维素、葡萄糖、果糖和山梨醇)为原料催化转化制备二醇的研究现状,对反应途径、反应机理、催化剂稳定性和反应溶剂类型等进行了详细介绍,在此基础上对利用纤维素基生物质原料催化制备二醇的发展趋势进行展望,以期为相关研究者提供参考。     

生物质热化学转化过程含N污染物形成研究

生物质热化学转化过程(热解与气化)含N污染物是大气PM_(2.5)的重要成因,研究其形成对大气污染防控具有重要意义。本文综述了国内外关于生物质热解与气化含N污染物形成机理及其影响因素的研究进展。现有研究结果表明:热解与气化过程含N污染物形成路径相似,但其种类及含量有明显差异,其中,热解主要为NH_3与HCN,气化主要为NH_3。从影响因素上看,燃料N赋存、温度、热解升温速率、气化反应气氛、燃料理化特性及反应添加物对含N污染物均有一定影响。升温速率快、燃料含N高、参与反应水蒸气浓度高等,均会造成含N污染物的增加,温度对两过程含N污染物的影响规律具有相似性,高温有利于降低其含量。从含N污染物三相分布特征来看,主要以气相形式存在,热解基本在50%左右,气化可高达90%,因此,控制并降低气相含N污染物形成是生物质热化学转化过程减少污染的重要方向。同时,本文基于研究结论的对比,指出国内外目前研究现状的不足。     

轻工业纤维素生物质过程残渣能源化技术

以农产品为原料的轻工业大都是典型的流程工业,在通过转化过程将原料转化为食品、饮料、添加剂、调味料、纸和中成药等产品的同时产生被称为过程残渣的固体废物与废料,如白酒糟、酒精糟、醋糟、甘蔗渣、中药渣、油粕、酱渣、菌渣和造纸黑液可熔渣等。这些残渣产生于特定的生产过程,富含纤维素、蛋白质或木质素,因此代表一种已经被集中的生物质资源。它们同时含水50%—80%、易腐烂变质、甚至呈弱酸碱性,因此是重要的环境污染源。本文着眼于轻工生物质过程残渣的高值化利用,分析指出富含纤维素的白酒糟、醋糟、甘蔗渣、中药渣、茶渣和造纸边角料等适合作为生物质能源而被转化利用,并根据资源特征提出了可能的技术路线。通过分别对热化学路线涉及的脱水干燥、燃烧发电与气化发电技术和集成乙醇发酵、沼气发酵的复合转化技术进行技术综述,最后针对不同规模的富含纤维素轻工生物质过程残渣能源化提供了技术选择建议。     

轻工业纤维素生物质过程残渣能源化技术

以农产品为原料的轻工业大都是典型的流程工业,在通过转化过程将原料转化为食品、饮料、添加剂、调味料、纸和中成药等产品的同时产生被称为过程残渣的固体废物与废料,如白酒糟、酒精糟、醋糟、甘蔗渣、中药渣、油粕、酱渣、菌渣和造纸黑液可熔渣等.这些残渣产生于特定的生产过程,富含纤维素、蛋白质或木质素,因此代表一种已经被集中的生物质资源.它们同时含水50%-80%、易腐烂变质、甚至呈弱酸碱性,因此是重要的环境污染源.本文着眼于轻工生物质过程残渣的高值化利用,分析指出富含纤维素的白酒糟、醋糟、甘蔗渣、中药渣、茶渣和造纸边角料等适合作为生物质能源而被转化利用,并根据资源特征提出了可能的技术路线.通过分别对热化学路线涉及的脱水干燥、燃烧发电与气化发电技术和集成乙醇发酵、沼气发酵的复合转化技术进行技术综述,最后针对不同规模的富含纤维素轻工生物质过程残渣能源化提供了技术选择建议.     

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。     

糠醛渣热解特性的研究

以糠醛渣为研究对象,应用热重分析法,以高纯氮气为载气对其进行了详细的热重分析试验。结果表明糠醛渣热解随温度升高经历五个不同阶段,表现了糠醛渣热解的复杂性。通过对5 ℃/min、20 ℃/min、50 ℃/min和80 ℃/min的升温速率及不同粒径下的失重曲线进行的对比表明,随着升温速率和粒径的增大,糠醛渣热解的初始温度增大,热解向高温侧移动。最后根据实验数据建立了热解动力学模型,并对数学模型进行了求解,得到了糠醛渣热解反应的动力学参数,表明糠醛渣热解属三级反应。     

棉秆催化热解特性及动力学建模研究

通过不同添加剂处理棉秆的热重实验,分析NaOH、Na₂CO₃、Na₂SiO₃、NaCl、TiO₂、HZSM-5六种添加剂催化棉秆热解动力学特性,结合原料的组分分析,建立三组分独立平行一级反应热解动力学模型对试样热失重行为进行模拟,采用非线性最小平方算法求解热解动力学参数。研究发现,添加剂的加入改变了三组分动力学参数,在碱性添加剂作用下,纤维素和半纤维素热解活化能都有较大程度降低,且碱性越强,纤维素热解活化能越低,而半纤维素热解活化能越高;中性添加剂NaCl对纤维素和半纤维素热解活化能的影响不大;酸性添加剂使纤维素和半纤维素的热解活化能有所增大,但所有添加剂对木质素热解活化能的影响不明显。     

TG-FTIR研究落叶松和废轮胎共热解失重及产物释放特性

利用热重红外法(TG-FTIR)考察了不同质量混合比例(1∶2、1∶1、2∶1)落叶松和废轮胎共热解失重、动力学规律及气相产物释放特性。共热解失重特性研究发现,温度低于366℃共热解主要表现为以落叶松为主的热降解行为,温度高于366℃主要表现为以废轮胎为主的热降解行为,热解效率随着落叶松加入比例的增大而提高。采用Coats-Redfern动力学模型对共热解动力学分析发现,主要失重阶段低温区(250~370℃)和高温区(370~480℃)热解行为均符合一级动力学规律,高温区活化能均明显低于低温区,随着落叶松加入比例的增大,活化能明显降低,使得热降解更容易发生。红外分析表明,共热解过程中主要生成含氧官能团的有机物及含氧小分子气体,6种小分子气体吸收峰析出强度由大到小依次为CO2CH4H2OCOSO2H2S,其中,废轮胎中的硫在落叶松降解过程中产生的氧自由基作用下主要转化为SO2。     

Pyrolysis of olive residue/low density polyethylene mixture: Part I Thermogravimetric kinetics

This paper demonstrates the thermal pyrolysis of olive residue, low density polyethylene (LDPE) and olive residue/LDPE mixture in an inert atmosphere of N2 using thermogravimetric analysis (TGA). Measurements were carried out in the temperature range 300K~973K at heating rates of 2K/min, 10K/min, 20K/min and 50K/min. Based on the results obtained, three temperature regimes were selected for studying the nonisothermal kinetics of olive residue/LDPE mixture. The first two were dominated by the olive residue pyrolysis, while the third was linked to the LDPE pyrolysis, which occurred at much higher temperatures. Discrepancies between the experimental and calculated TG/DTG profiles were considered as a measurement of the extent of interactions occurring on copyrolysis. The maximum degradation temperatures of each component in the mixture were higher than those the individual components; thus an increase in thermal stability was expected. The kinetic parameters associated with thermal degradation were determined using Friedman isoconversional method.     

Energy potential and thermogravimetric study of pyrolysis kinetics of biomass wastes

The use of agricultural wastes for energy conversion has been widely studied as renewable and carbon neutral energy sources. This paper aims to evaluate the energetic potential of six agricultural wastes—sugarcane bagasse, bean pods, corn stover, pineapple crown leaves, white cotton and natural coloured cotton stalks, through their characterization and pyrolysis kinetic study. The energetic potential of biomasses was evaluated by ultimate and proximate analysis, higher heating value (HHV), apparent density, and kinetic parameters of conversion and apparent activation energy (E_a) determined by Model-Free kinetics though thermogravimetric analysis data. The results indicate energetic density for dry basis biomasses, such as moisture content less than 7%, volatiles higher than 77% and moderate ash content. The HHVs were higher for the biomass with low O:C ratio. The E_a values increased with increasing O:C ratio and were also influenced by the biomass ash content. Among the studied biomasses, PCL are less explored for energy application, although the results confirm its potential for application in thermochemical processes such as pyrolysis or combustion.

     

Study of pyrolysis kinetic of green corn husk

In this paper, it was suggested the use of green corn husk, which is a biomass from agro-industry, as an alternative source of energy through its pyrolysis. Green corn husk characterization was done through immediate and elemental analysis of its components: cellulose, hemicelluloses, and lignin. It was also measured its higher calorific value. The pyrolysis study of green corn husk was done by the isoconversion and the Master plots method. Thermogravimetric plots were obtained at heating rates of 5, 10, 15, and 20 °C min^?1. The pyrolysis kinetics parameters were studied through the Flynn–Wall–Ozawa (FWO), Kissinger, and Friedman models. The Master plots method was used to determine the pyrolysis reaction order. The results of the reaction energy activation were found to be in the range 105.21–157.46 kJ mol^?1 by the FWO method, 150.50 kJ mol^?1 by the Kissinger method, and ranged 120.66–163.81 kJ mol^?1 by the Friedman method. The Master plots method showed a three-way-transport diffusional kinetics for the biomass de-volatilization process. The higher calorific value found for green corn husk was 16.14 MJ kg^?1. The simulation showed correlation between the experimental data and the proposed model for conversion values up to 0.8.

     

Comparison of global models of sub-bituminous coal devolatilization by means of thermogravimetric analysis

Coal gasification and combustion are strongly dependent on devolatilization step. Aim of this work is to obtain the parameters of global kinetics of devolatilization of a sub-bituminous coal with high sulfur content. The kinetic parameters are obtained by means of TG experimental data, and applying different approaches to extrapolate the data to industrial relevant conditions. The simpler method is a model-free one which supposes a single step process whose Arrhenius kinetic parameters (A and E _a) have to be determined. Another common approach is the distributed activation energy model (DAEM) which assumes a series of first order parallel reactions occurring and sharing the same pre-exponential factor, A, with a continuous distribution of the activation energy. For the fitting of the experimental data, a numerical solution to DAEM and two approximate methods have been evaluated. Moreover, the results of these kinetic methods based on empirical approaches were compared with simulated data obtained using a more complex model based on percolation theory with cross-linking mechanism and vapor–liquid equilibrium (chemical percolation devolatilization, CPD model), which allows to simulate the coal pyrolysis from volatile yield data.     

不同热裂解温度下ZSM-5对玉米秸秆催化热裂解烃类选择性影响

为探讨不同热裂解温度下ZSM-5对玉米秸秆催化热裂解特性及烃类选择性的影响,本研究利用TGA对比有无ZSM-5时玉米秸秆的热裂解失重曲线,利用Py-GC/MS对比玉米秸秆在450、500、550和600℃下的热裂解和催化热裂解产物分布。结果表明,ZSM-5的使用可以降低玉米秸秆最高分解速率时对应的热裂解温度,降低温度为23℃。未使用ZSM-5时,热裂解产物种类以及烃类选择性均随热裂解温度的升高不断增加,在600℃时,烃类选择性达到最高,为11.33%;使用ZSM-5后,烃类产率随热裂解温度的升高先增加后减少,在550℃时,烃类选择性达到最高,为29.24%。使用ZSM-5后,玉米秸秆催化热裂解主要产物中出现了甲苯、茚、萘、二甲基萘等烃类,甲苯的最高产率为4.76%,萘的最高产率为3.96%。