用热重—红外联合技术研究玉米秸秆热解特性

发布时间：2020-08-26 03:38

【摘要】： 生物质能源的开发利用是缓解我国能源和环境压力,建立可持续发展能源系统的有效措施,作为生物质能利用技术之一的生物质热解技术得到了广泛的重视。本文采用热天平和傅立叶变换红外光谱仪联用技术,对玉米秸秆各部分及不同部分的混合物的热解特性及热解动力参数进行了研究。采用热天平,在不同的升温速率下,分别对玉米秸秆的不同部分(秸秆皮、秸秆瓤、苞叶和叶子)的热解特性和秸秆皮与秸秆瓤混合热解分别进行了研究。由TG曲线和DTG曲线得到的热解特性参数可知,随着升温速率的增加,初始热解温度逐渐增大;最大失重速率逐渐增大,其对应的温度也增加;样品的最终总失重率逐渐增大。当玉米秸秆皮占玉米秸秆皮和玉米秸秆瓤混合质量的百分比大于50%时,玉米秸秆瓤对整体热解特性的影响较小,两者热解无协同效应。根据玉米秸秆不同部分的热解试验结果,采用Li Chung-HSiung法与Malek法相结合的方法,得到了玉米秸秆皮、玉米秸秆瓤、玉米苞叶和玉米叶子热解机理函数分别为F1、R2、F1、F1。采用Coats-Redfern法求解了玉米秸秆不同部分的热解动力学参数(活化能和前因子),结果表明,随着升温速率的增大,活化能也随着增大,前因子则随着减小。但总体来看,升温速率对玉米秸秆热解的活化能影响不大。由傅立叶变换红外光谱仪检测得到的热解析出气体谱图,再通过差谱法确定了几种未知的气体种类,如甲烷、丙酸,并得出几种主要气体产物红外吸收谱特征峰波数,定性研究了几种主要气体产物(CO2、CO、CH4、H2O)的变化过程,结果表明,在低温段,几种气体的析出过程相同,即随着温度的增加,析出量逐渐增大,然后有减小的趋势;而在高温段,CO2和H2O的析出逐渐减少,而CO和CH4相对来说析出量较大。通过多组分动力学模拟对玉米秸秆各部分热解过程进行了数值模拟。根据玉米秸秆各部分的热解试验数据,计算得到了各组分的动力学参数(活化能、前因子、贡献率、反应级数)。试验结果与计算结果吻合较好,说明多组分动力学模型是一种适用性比较广的模型,尤其更适合半纤维素和纤维素的热解模拟。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TK6
【图文】：

结构图,傅立叶变换红外光谱仪,结构图,热天平

定量测试时需要有参比样品或标准样品，但定量分析的准确度不高，误差会超过5%，所以本文只对气体产物进行了定性分析。图2-2为美国热电公司（Thermo Electron Scientific Instruments Corp）生产的Nicolet5700型傅立叶变换红外光谱仪。试样在热天平中热解产生的气体通入红外光谱仪中的气体池中进行实时检测，气体池容积为49ml，光程长17cm。最大光谱范围7800~350cm-1；最大分辨率0.09cm-1；最快扫描速度为65次/秒。热天平与红外光谱仪采用专用金属管路相连，管路温度保持在180±1℃，管长1.2m，内径2.1mm。2.1.2 试验方法图 2-3 是生物质热解试验系统示意图。试验系统主要由两部分组成，分别为热天平（瑞士Mettler-Tolerdo公司的TGA/SDT851e型热重分析仪）和傅立叶变换红外光谱仪（美国热电公司生产的 5700 型傅立叶变换红外光谱仪）。当试样放入热天平中，经过程序控制加热，样品受热分解，产生固体和气体（液体焦油微量

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图 2-3 试验系统装置图具体的试验方法如下：实验前，检查系统装置的气密性，然后以7L/min的流量向傅立叶变换红外光谱仪中通入普通氮气（纯度为99.99%），同时向红外光谱仪中加入液氮，用于降低气体池的温度。当大约通入普通氮气一个小时后，开始采集气体池背景和样品的红外光谱，直到观察到光谱基线上没

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玉米秸秆示意图

【引证文献】