纤维素热裂解反应机理及中间产物生成过程模拟研究

基于改进的B-S机理模型，通过求解物料内部和气相空间两段反应过程，对纤维素热裂解过程中一些化合物(活性纤维素、左旋葡聚糖(LG)、乙醇醛、丙酮醇等组分)的生成和演变情况进行了模拟。结果发现,自由水的脱除过程使物料前期升温速率发生了下降，并未影响热解期间温度分布以及反应过程。热裂解过程中，由于一次反应的强烈吸热，物料在长时间内局限于中温范围，其内部各组分质量浓度分布的区别主要体现出一次反应竞争能力的强弱。物料厚度的增加使热裂解时间延长，并加剧物料内部的二次分解。左旋葡聚糖和其竞争产物乙醇醛的生成出现一个大量生成、快速逃逸的过程，相比于左旋葡聚糖，乙醇醛质量浓度的积累具有更快的速度，体现出较高温度下的竞争优势。对于小尺寸反应物，挥发分二次反应主要发生在气相空间，随着气相停留时间的增加，其二次分解的程度提高，该效果随辐射源温度的提高而加剧。相比于LG产率随反应时间的快速下降趋势，高温下生物油产率的降低略显缓和，其变化主要是组分分布的改变，即从大分子结构降解为小分子结构。     

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。     

纤维素快速热裂解机理试验研究 Ⅰ. 试验研究

在热辐射反应器上对纤维素快速热裂解过程中主要一次产物的生成规律进行了研究。结合焦油的GC-MS分析，发现左旋葡聚糖（LG）作为最重要的液体产物，占据了焦油质量的45w%～85w%。LG的生成主要集中在550 ℃～650 ℃中温辐射源区域，其产量随温度的变化存在一最佳值，约在640 ℃左右得到54.4w%的最高产率。乙醇醛(HAA)作为焦油的第二重要组分，在焦油中达到了6w%～14w%的比例，与之含量接近的还有1-羟基-2-丙酮(Acetol)，约为3.5w%～8w%。它们的产率在相当大的范围内随温度的升高而增加，表明高温有利于它们的生成。同时分析表明乙醇醛、1-羟基-2-丙酮是在与LG的竞争过程中作为纤维素热裂解一次产物直接生成的。     

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。     

硬木热解过程中颗粒内部二次反应的数值研究Ⅰ. 单颗粒热解模型的构建

为了研究生物质(硬木)热解过程中颗粒内部的二次反应,弥补常规实验研究在该领域内的不足,构建合适的数学模型进行数值模拟是一个很好的途径.本文介绍了硬木单颗粒热解综合模型的构建方法.针对所研究的问题,模型中细致考虑了包含一次焦油二次裂解的生物质热解动力学过程.为了准确描述热解产物在热解颗粒内部的传递和二次反应过程,模型包含了对热解过程中颗粒内部各种气相产物在孔隙率不断变化的生物质颗粒内的生成、消耗、积累以及在压力驱动下的输运等行为的描述.模型参数的选取尽可能真实地模拟了实际过程,引入转化率或温度对涉及到的各种物理性质参数进行了修正.构建的模型在理论上较全面地描述了单颗粒生物质热解的复杂过程,可以利用它对颗粒内部的二次反应过程进行进一步的研究.     

钾盐催化纤维素快速热裂解机理研究

在红外辐射机理试验装置上进行了钾盐催化纤维素快速热裂解机理研究。试验发现，钾盐在抑制生物油生成的同时，促进了炭和气体的生成。结合反应前后金属盐电镜图以及生物油和焦炭中金属离子质量分数的检测，证实钾盐的催化作用主要发生在固相中，以离子形式选择性催化了不同类别的反应，加速了分子断键过程中的裂变和歧化反应。在抑制左旋葡聚糖生成的同时，促进了糖类以外产物的形成，提高了生物油中乙醇醛、乙醛以及小分子的醇类、酮醛类化合物的数量。     

纤维素快速热裂解机理试验研究 Ⅱ. 机理分析

针对在热辐射反应器上得到的纤维素热裂解实验结果，对左旋葡聚糖、1-羟基-2-丙酮以及乙醇醛等一次产物的生成机理进行了分析研究。在气相产物快速析出并急冷的条件下，乙醇醛和1-羟基-2-丙酮二种产物的生成与LG的生成呈现出竞争反应。基于这一结果，我们建立了竞争反应动力学模型，并分别对乙醇醛和1-羟基-2-丙酮进行了模拟，得出二种产物的生成具有相似的动力学行为，表明这两种竞争化合物具有相同的初始反应。分析认为，纤维素的热裂解通过活性纤维素这一反应前体以异裂和均裂两种热解途径进行分解，其中转糖基作用下糖苷键的异裂断开形成了包括LG以及其同分异构体的脱水糖；缩醛结构的开环以及环内C—C键的断裂形成乙醇醛、1-羟基-2-丙酮以及CO等其它小分子化合物。在Brodio-shafizadeh模型的基础上提出了反应机理模型，并按照该模型对高辐射源温度下纤维素热裂解LG的生成进行了模拟，计算结果与实验数据吻合较好。     

城市污水污泥燃烧特性和动力学特性分析

采用热重分析仪对城市污水污泥进行热重实验,通过TG(热重)、DTG(微分热重)和DSC(差示扫描量热)曲线的分析对比,获得污水污泥热解和燃烧不同阶段的特性。低于250℃,燃烧与热解的热重曲线基本吻合,说明在此之前,失重速率主要受控于有机物的分解以及析出,燃烧过程对失重影响不明显。燃烧DTG曲线呈现“W”峰型,第一个失重速率峰与热解DTG曲线基本对应,高于410℃,燃烧DTG曲线出现显著的加速。采用Coats-Redfern 积分法,假设不同的反应模型进行拟合,推断出污泥燃烧过程中两个DTG峰体现出不同的反应机理。借鉴煤燃烧机理分析认为,污泥燃烧反应初期挥发分的燃烧受控于化学反应速率,随着温度的不断提高,剩余挥发分的燃尽和固定碳的燃烧总反应速率逐渐受扩散因素控制。基于分析所得污泥燃烧机理,采用四个独立的平行反应模型模拟污泥的燃烧过程,拟合曲线与实验数据吻合良好。