氯化钙催化纤维素热裂解动力学研究

用差示热重分析仪对氯化钙纤维素热裂解动力学催化影响进行了研究。结果表明，氯化钙对焦炭的形成具有强烈的促进效果，使热裂解最终残留物产率从5％提升到10％以上，氯化钙的存在影响到热失重初始阶段活性纤维素的生成，使热重曲线向低温侧移动，并在低温段产生了小的失重速率峰。通过热重分析发现，氯化钙催化条件下纤维素热裂解动力学参数被分为了三段，分别对应于活性纤维素的生成、炭化和活性纤维素转化为挥发分产物三个区间，并依次成为整体失重过程的控制步骤。结合Broido-Shafizadeh机理分析以及与纯纤维素热裂解动力学参数的对比，氯化钙对这三个主要反应步骤都产生了促进效果，其中以催化焦炭的生成最为明显，在促进焦炭化的过程中，降低了气体产物的生成比率。     

钾元素对生物质主要组分热解特性的影响

采用热重-红外联用仪对松木及生物质主要化学组分半纤维素、纤维素、木质素的热解特性及钾元素对其热解特性的影响进行了研究.结果表明,半纤维素、纤维素、木质素发生热解的主要温度分别为200~350 ℃、300~365 ℃和200~600 ℃;半纤维热解产物中CO、CO₂较多;纤维素热解产物中LG和醛酮类化合物最多;木质素热解主要形成固体产物,气体中CH₄相对含量较高.三种组分共热解过程中发生相互作用使热解温度提高、固体产物增加,气体中CO增加而CH₄减少.添加K₂CO₃后半纤维素和纤维素热解温度区间向低温方向移动,固体产率提高.K对纤维素作用最明显,CO、CO₂气体与固体产物产率明显增加,醛酮类和酸类物质的产率降低;木质素受K影响相对较小,热解固体产物略有增加,挥发分中H₂O和羰基物质增加;三组分共热解减弱了钾元素的催化作用.     

生物质主要组分低温热解研究

利用热重分析仪和裂解气质联用仪进行生物质主要组分低温热解特性研究。热重实验结果表明,生物质主要组分的热稳定性为：纤维素>木质素>半纤维素。半纤维素主要热解温度在210℃～320℃,而纤维素和木质素的主要热解温度分别在310℃～390℃和200℃～550℃。裂解气质联用实验考察不同温度对生物质主要组分低温热解产物的影响。半纤维素热解产物主要有乙酸、1-羟基-丙酮和1-羟基-2-丁酮,纤维素热解产物主要包括左旋葡聚糖和脱水纤维二糖,而木质素热解产物主要是邻甲氧基苯酚。     

生物质化学组分在空气和合成气下的热重行为研究

在热重分析仪上,分别在空气和合成气气氛下,对生物质三种化学组分（纤维素、半纤维素和木质素）的热重行为进行了研究,考察了两种不同气氛下生物质及其三种组分的热化学转化温度区间分布;同时通过合成样品（以不同比例混合的三种组分的混合物）热重曲线的实验值和理论计算值的对比分析,考察了生物质化学组分在不同气氛下热重行为的相互作用。结果表明,在空气和合成气气氛下生物质各种化学组分发生热化学反应从难到易的顺序为木质素 > 纤维素 > 半纤维素,这是由其不同的化学结构决定的,但不同气氛下各组分的具体热重行为存在一定差别。在合成气气氛下木质素及半纤维素在与纤维素的共热解过程中存在明显的协同作用,而在空气气氛下半纤维素及纤维素在与木质素的共燃烧过程中存在一定的协同作用,这与各组分在不同气氛下所处的热化学反应温度区间具有一定的关系。     

生物油蒸馏残渣理化性质及热失重研究

利用傅里叶变换红外光谱仪、激光共焦显微拉曼光谱仪和TGA Q500热分析仪对生物油蒸馏残渣及其在不同温度处理后的热解焦炭理化性质进行表征,并对其热失重特性进行分析。结果表明,生物油蒸馏残渣主要是由脂肪族、芳香族和低聚糖类等有机化合物组成;在氮气氛围下热解主要分为三个阶段:30-145℃为小分子物质挥发析出阶段145-550℃为大分子物质裂解和氧化阶段,550-750℃为焦炭产生阶段;热处理过程中各类物质逐步有序热解析出,同时固体产物石墨化程度随着热处理终止温度的升高而升高。     

烟草及其主要组分的热分析质谱研究

采用热分析质谱技术研究国产烤烟,白肋烟以及烟草的主成分纤维素,木质素,果胶的热解及热解产物。研究结果表明:烟草热解分为三个阶段,大分子物质分解引起的失重为最主要的失重阶段。果胶,木质素,纤维素的分解主要发生在200至450℃之间。烟气中羧酸类物质,醚类物质,酯类物质生成温度较低,主要来自于纤维素和果胶的分解,而苯系物和酚类物质则需要较高的热解温度,主要来自于木质素的分解。     

生物油TG-FTIR分析与热解气化特性研究

以稻壳快速热解产物生物油为对象,在对其进行热重红外检测的基础上,结合生物油及其轻质、重质组分的热解气化实验,研究了生物油热解气化过程及气体产出特性。结果表明,生物油的热解气化分为两个阶段,一是轻质组分的快速挥发热解;二是重质组分的裂解气化与缩合缩聚,活化能分别为35~38 kJ/mol和15~22 kJ/mol。温度升高,热解气化效率增加,以H₂和CO为主的合成气产量增多,但气体产物热值降低。气体中H₂主要来自轻质组分的热解气化,而重质组分则裂解产生较多的CO、CH₄等物质。     

酸洗预处理对纤维素热裂解的影响研究

为获得液体产量的最大化和提高产物中糖类的质量分数，采用盐酸（3%、5%、7%）、磷酸（7%）和硫酸（7%）对纤维素进行酸洗预处理。不同酸洗预处理下纤维素的微观结构和聚合度变化表明，酸处理损坏了纤维素的物理结构，并使聚合度大幅度降低。在“┣”形石英玻璃反应器的快速热裂解试验装置上进行了不同酸处理前后的纤维素热裂解试验，发现酸浸泡处理后，生物油产率下降，相应的气体和焦炭产率提高，并且随着酸浓度的提高，该趋势逐渐增强。与盐酸和磷酸相比，硫酸对生物油的生成具有更强的抑制作用，这表明，酸对纤维素交联和脱水反应的催化效果。通过GC-MS色质联机分析技术对生物油成分进行分析，发现酸的存在并没有改变生物油成分的种类，但使化合物之间的相对质量分数发生了变化。左旋葡聚糖的质量分数随稀酸溶液浓度的增加呈下降趋势，原因是残留在物料中的微量酸以催化脱水和交联反应的方式，对其生成起抑制作用。     

木质素二聚体模型物裂解历程的理论研究

木质素作为生物质的主要成分之一, 是生物油的重要组分, 在工业生产中有着重要的应用. 生物质高温裂解液化制备生物油的过程伴随着木质素的裂解, 因此研究木质素高温裂解历程, 对生物油的制备有很大的帮助. 利用密度泛函方法对木质素在高温条件下的裂解历程进行理论研究, 并通过对各步反应的热力学焓变计算, 确定了初次裂解的路径为Cα—Cβ和β-O-4热裂解路径. 根据进一步的研究预测了裂解反应的主要产物.     

木质素热解生物油组成成分与分子尺寸分布特性分析

选用脱碱木质素作为原料,以热裂解气质联用技术(Py-GC/MS)研究木质素在350～600℃下热解产物成分和含量,并利用Joback法、 Lijie法和Tahami法3种基团贡献法计算了生物油各组成成分的临界参数和动力学直径,对木质素热解油产物的分子动力学直径分布特性进行计算.结果显示,愈创木基结构、紫丁香基结构、苯酚类、邻苯二酚类和芳烃类等5种芳香族化合物是350～600℃下木质素热解生物油的主要组成成分,其中愈创木基结构化合物的平均峰面积百分比达到70.7%.随着反应温度从350提高到600℃,分子动力学直径在0.560～0.610 nm区间内的木质素热解油组分含量从14.6%增加至31.3%.木质素热解生物油主要产物的动力学直径在0.560～0.710nm,表明一些孔径尺寸在此范围内的分子筛如SSZ-20、 ZSM-5和Beta可作为木质素裂解制备高品质芳烃燃料的催化剂.     

Phosphorus catalysis in the pyrolysis behaviour of biomass

Phosphorus is a key plant nutrient and as such, is incorporated into growing biomass in small amounts. This paper examines the influence of phosphorus, present in either acid (H₃PO₄) or salt ((NH₄)₃PO₄) form, on the pyrolysis behaviour of both Miscanthus × giganteus, and its cell wall components, cellulose, hemicellulose (xylan) and lignin (Organosolv). Pyrolysis–gas chromatography–mass spectrometry (PY–GC–MS) is used to examine the pyrolysis products during thermal degradation, and thermogravimetric analysis (TGA) is used to examine the distribution of char and volatiles. Phosphorus salts are seen to catalyse the pyrolysis and modify the yields of products, resulting in a large increase in char yield for all samples, but particularly for cellulose and Miscanthus. The thermal degradation processes of cellulose, xylan and Miscanthus samples occur in one step and the main pyrolysis step is shifted to lower temperature in the presence of phosphorus. A small impact of phosphorus was observed in the case of lignin char yields and the types of pyrolysis decomposition products produced. Levoglucosan is a major component produced in fast pyrolysis of cellulose. Furfural and levoglucosenone become more dominant products upon P-impregnation pointing to new rearrangement and dehydration routes. The P-catalysed xylan decomposition route leads to a much simpler mixture of products, which are dominated by furfural, 3-methyl-2-cyclopenten-1-one and one other unconfirmed product, possibly 3,4-dihydro-2-methoxy-2H-pyran or 4-hydroxy-5,6-dihydro-(2H)-pyran-2-one. Phosphorus-catalysed lignin decomposition also leads to a modified mixture of tar components and desaspidinol as well as other higher molecular weight component become more dominant relative to the methoxyphenyl phenols, dimethoxy phenols and triethoxy benzene. Comparison of the results for Miscanthus lead to the conclusion that the understanding of the fast pyrolysis of biomass can, for the most part, be gained through the study of the individual cell wall components, provided consideration is given to the presence of catalytic components such as phosphorus.     

钾元素对生物质及其三组分热解的影响

采用机械混合法将KCl加入到纤维素、半纤维素、木质素以及稻壳和稻壳模拟物等生物质中,得到了一系列不同K含量的生物质样品,通过热重(TG)实验考察了K元素对生物质热解特性的影响.结果表明,K元素对生物质三组分热解特性的影响比较复杂,纤维素的最大热解失重速率随着KCl添加量的增加而降低,但KCl对半纤维素和木质素热解特性的影响不显著.无论是否添加KCl,模拟生物质的热解特性均可以认为是三组分热解的简单叠加.但酸预处理稻壳三组分间的稳定结构,导致其DTG曲线在300 ℃左右的热解峰由稻壳模拟物的尖峰变为肩峰,其热解焦炭收率也比稻壳模拟物的略低.此外,实验还采用浸渍法向酸预处理稻壳中添加了KCl.TG实验结果表明,K元素的存在对生物质热解具有一定的催化作用,但KCl的添加方式不同,生物质的热解特性有明显差别,生物质样品经机械混合添加KCl后,其热解焦炭收率呈下降趋势(纤维素除外),浸渍法添加的KCl导致酸预处理稻壳的最大热解失重速率和焦炭收率升高.     

A kinetic study on pyrolysis and combustion characteristics of oil cakes: Effect of cellulose and lignin content

Pyrolysis and combustion characteristics of three different oil cakes such as Pongamia(Pongamia Pinnata),Madhuca(Madhuca Indica),and Jatropha(Jatropha curcas) were investigated in this study.The cellulose and lignin contents of oil cakes play very important role in pyrolysis and combustion processes.A kinetic investigation of three oil cakes was carried out and major part of the samples decomposed between 210℃ and 500℃.Pyrolysis and combustion were carried out with the mixtures of cellulose and lignin chemi...     

生物质水热液化和炭化产物特性研究

分别选取稻杆,水葫芦,纤维素和木聚糖（生物质模型化合物）为原料,在反应釜中进行水热液化（300℃,30min）和水热炭化（220℃,4h）实验,对液化产物和炭化产物进行分析。结果表明,稻杆获得重油产率达最大值21.62%。纤维素,木聚糖和水葫芦的重油产率分别为15.00%,11.61%和12.19%。生物质化学组分对其重油产率和组分有着一定的影响。液态产物分别利用总有机碳分析仪（TOC）和气质联用仪（GC-MS）进行测定。表明重质油中主要含有酮类,酚类,醛类,醇类和少量的酸类化合物。利用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对水热炭化固态产物进行了形貌与结构表征,得到具有核壳结构的纳米微球。纤维素,水葫芦和稻杆有着较高的焦炭产率,最后对木聚糖的碳微球形成机理进行初探。     

松木预处理温度对生物油特性的影响

通过螺旋反应器低温预处理除去松木中的半纤维素和水分,然后用预处理得到的固体残渣来快速热解制生物油。固体残渣的化学组成分析和红外光谱分析表明,由于木质素含量的增加和炭化反应的发生,生物油的产率降低、焦和不可冷凝气的产率增加。随着预处理温度的升高,生物油水分含量减少,高位热值增加,运动黏度增加,密度增加,pH值先升高后降低,固体颗粒物含量增加。核磁共振碳谱分析表明,生物油的脂肪碳含量减少,芳香碳含量增加,芳香度增加。     

不同彬县焦的水蒸气气化反应动力学研究

在常压,900℃～1050℃考察了彬县煤的三种焦样（常规方法制焦、快速热解焦和脱灰快速热解焦）在热天平上的水蒸气气化反应。考察了温度和焦种对水蒸气气化反应的影响。对比了三种焦的动力学参数和比表面积。结果表明,气化温度是影响煤焦气化反应速率的主要因素,提高50℃,反应速率增加一倍。快速热解焦的反应速率在相同反应条件下明显大于慢速焦。三种焦的表观活化能以快速焦最大,因而反应速率受温度的影响也最大,快速脱灰焦次之,慢速焦最小。     

固定床中纤维素热解及其焦油裂解机理研究

研究了500~900℃条件下微晶纤维素在固定床中的热解过程;分别采用气质联用(GC-MS)和气相色谱分析了热解过程中生成的焦油和不可凝气体。结果表明,随热解温度升高,焦油产率减少、气体产率升高、焦产率略微下降,同时CO、CH4和H2的产率明显升高,而CO2的产率变化不明显。焦油主要由二次反应产生,不可凝气体则由一次热解产物和二次热解产物共同产生。使用Gaussian 09软件对热解过程进行了模拟,发现纤维素分子在热解过程中首先分解为纤维素单体,然后纤维素单体上的羟基官能团优先脱除,生成的中间产物重组生成焦油。随热解温度升高,焦油中醚、醇、酸等化合物分解成自由基,自由基间发生重组、结合,导致烯烃和炔烃增多以及不可凝气体含量的升高。