生物质流化床气化的实验研究与量化分析

发布时间：2020-05-21 16:12

【摘要】：生物质气化发电是生物质能众多利用形式中常用的高效技术之一,流化床技术因其原料适应性强、传热效率高等特点,适合规模化气化项目。本文通过流化床气化实验台进行了水蒸气气化实验,通过TG-FTIR联用仪进行了热重实验,并利用量子化学计算方法探究木质素模型化合物的热解机理和金属离子的影响规律。首先,在自主搭建的流化床气化实验台架上的一系列气化实验表明,氢气含量、气化效率、焦油去除量均和气化温度及蒸气与生物质的质量配比(S/B)呈正相关,且焦油中甲苯、苯乙烯和苯酚等组分受气化条件影响显著。白云石催化效率最高,但相比于石英砂与白云石,橄榄石因兼具催化性和耐磨性而更适用于流化床气化炉。当气化温度为800℃,S/B为0.9,采用橄榄石为床料时,实验中可得含氢量34%的中热值气体,并且焦油含量低于20g/m~3。其次,通过对棉秆样品分别做水洗和酸洗的预处理,并利用TG-FTIR联用技术进行热重分析。研究表明棉秆热解过程分为活化热解区和消极热解区。碱金属及碱土金属可以通过改变棉秆样品的活化能,促进热解反应的进行,而且对棉秆的挥发析出特性有较大改善,能有效减少大分子可凝气的产生。最后采用量子化学软件Gaussian,通过密度泛函理论(DFT)中B3LYP/6-31G(d)基组计算分析了木质素模型化合物苯乙基苯基醚的八条可能反应路径,并对其进行热力学分析和势能面分析,得到了木质素模型化合物裂解过程的主要断键过程及反应势垒,并以络合物形式探究了金属离子Mg~(2+)在三条主要反应路径中的影响,其可使反应自发产生的所需温度降低,并且能有效降低苯乙基苯基醚分子中碳碳键和碳氧键均裂反应的反应势垒,从而促进热解反应的进行。
【图文】：

5]。图1-1 纤维素结构图Fig.1-1 Structure of Cellulose木质素通常是由松柏醇、芥子醇和香豆醇三种苯丙烷单体在酶化、去氢和自由基共聚后通过碳碳键和碳氧键连接聚合形成的三维立体结构的复杂大分子聚合物[6]，稳定性较好，热解温度区间较宽，在 200~500℃区间发生。一般认为木质素热解遵循自由基反应机理，其中最主要的结构单元有三种，分别对应图 1-2 中的对羟基苯型、愈创木基型和紫丁香基基型。三种结构中均含有羟基，而甲氧基的数量和分布不同。

上海交通大学硕士学位论文第 3 页图1-2 木质素结构单元图Fig.1-2 Structure of Lingin半纤维素是由 D-甘露糖、D-木糖、D-葡萄糖、D-甘露糖和 D-葡萄糖醛酸和各种带甲氧基、乙酰基的中性糖基等构成的复合聚糖的总称，其结构图如图 1-3 所示。由于半纤维素组成的糖基各不相同，，分子链短，聚合度低，带有支链，热稳定性较差，反应活性与其他组分相比最高，热解主要在 225~325℃温度范围内发生。半纤维素典型组成单元为木聚糖，其裂解反应与纤维素相似，但纤维素中间产物生成左旋葡萄糖，而半纤维素生成反应活性较高的呋喃衍生物，其易发生二次裂解，生成轻质气体。图1-3 半纤维素结构图Fig.1-3 Structure of Hemicellulose1.2.2 生物质的利用形式全球每年的生物质产量丰富，但很长一段时间内大多数生物质能未能得到合理利用。一方面大量的农业林业废弃物形式的生物质由于没有良好的回收途径被废弃或直接就地低效焚烧
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK6

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本文编号：2674562