超声波协助酸预处理对松木理化性质及热裂解特性的影响
发布时间：2021-10-31 20:08
为应对世界范围内的能源需求增长、化石燃料成本增长、全球气候变暖等问题,开发利用清洁可再生的生物质能源是全球亟待解决的高度优先事项。但生物质组分复杂,热解产物生物油品质低,限制了生物质能的开发利用。采用酸预处理技术能够改变生物质中的化学组成,改善生物质特性。本研究在传统的酸预处理基础上增加超声波辅助技术,旨在提高生物质化学预处理效率,从而获得高质量且富含高附加值化学品的生物油,为优化热裂解预处理工艺提供理论依据。论文以松木（油松）为实验对象,选用不同酸浓度、处理时间、超声波振幅三个变量对松木进行预处理。首先通过Py-GC/MS研究超声波协助酸预处理前后松木样品的热解产物组分,探究预处理对快速热裂解产物分布的影响,从而优化生物质原料预处理条件;其次利用元素分析、化学组分分析、结晶度分析、电镜和红外光谱法等表征手段探讨超声波协助酸预处理对松木原料理化性质的影响;最后通过热重分析研究生物质快速热裂解的影响特性。主要得到以下结论:（1）为使松木原料完全裂解产出高含量左旋葡聚糖产物,通过Py-GC/MS对不同变量预处理后的松木样品进行热解反应。根据其产物情况,得出采用100%振幅的超声波协助1%浓...
【文章来源】：山东农业大学山东省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
生物质能转换技术主要类型（引自李豪杰，2011）
山东农业大学硕士论文7反应条件可调控三种热裂解产物比例。一般来说，生物质热裂解可分为低温慢速热解、中温快速热解和高温闪速热解。详细分类如表1-1所示。表1-1热解分类(引自陈登宇，2013)Table1-1Pyrolysiscategories(citedfrom陈登宇,2013)热解方式升温速率热解温度停留时间主要产物低温慢速热解缓慢500℃＞10min生物质炭中温快速热解1000℃/s500-650℃＜2s生物油高温闪速热解快700-1100℃＜1s可燃气体低温慢速热解：热解温度不超过500℃，反应时间较长，较长的滞留期可最大限度增加生物质炭的产率（35-40%）；中温快速热解：较短的滞留期可使产物快速冷凝，从而获得生物油（产率约60-70%）；高温闪速热解：热解温度在700-1100℃范围内，高温和较快的反应速率以及超短滞留期可提高气体产率（Luetal.,2009）。通过控制热解反应条件，可在较大范围内调整热裂解产物分布比例，以获取所需产物的最大产率。将最大限度调试热裂解反应条件，生物油产率可达70wt%以上（刘荣厚等，1997）。图1-3生物油的应用途径（引自刘荣厚等，2011）Figure1-3Applicationsforbio-oil（citedfrom刘荣厚etal.,2013）生物油是生物质热解的重点研究产物，是初级的热裂解产品，其组成非常复杂，含有脱水糖、醇、醛、酚、酸类及其它有机物，并且含水量大、含氧量高、黏度大、酸性强、热值低、热稳定性差，阻碍其进一步开发应用。目前生物油直接作为锅炉、燃气透平等设备的燃料使用，或进一步处理精制提纯用于生产燃料油品和高附加值化学品等，如图1-3所示。可燃气体（主要成分以CO2、CO、H2为主）根据其热值的高低，可直接用于燃料燃烧，或者与高热值气体混合用于民用燃气或工业燃气。生物质炭可直接作为
超声波协助酸预处理对松木理化性质及热裂解特性的影响8燃料，或经提质加工制成活性炭、电极材料等高价值产品。近年来,生物炭在土壤改良和污染控制与修复等方面应用广泛。如图1-4所示为生物质热解的技术路线。图1-4生物质热解技术路线（引自陈登宇，2013）Figure1-4Technicalrouteofbiomasspyrolysis（citedfrom陈登宇，2013）1.3.2生物质热裂解机理生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三种化学成分组成。热裂解加热时,随着温度的升高,生物质中的纤维素、半纤维素和木质素热解温度及热解速率并不一致（李豪杰，2011）。如表1-2所示。表1-2生物质热解过程Table1-2Biomasspyrolysisprocess类型初步软化温度℃分解温度℃主要产物纤维素200-400240-350挥发性产物半纤维素＜200200-260挥发性产物木质素＜200280-550炭生物质热裂解技术是当前生物质转化利用的有效方式，但初级热裂解产物限制了生物质能的充分利用。因此掌握生物质热裂解反应过程及热解机理，对改善热裂解产物性质、改良热裂解反应器以及优化热解工艺具有重要的意义。由于生物质结构及成分非常复杂，因此研究人员通常对生物质中三大组分进行分别研究，以掌握其各自的反应机理。纤维素是一种高分子多聚糖，结构单一，在自然界分布十分广泛，且结构单一，纤维素结构可分为结晶区和无定形区，以链状分子的排列形式划分，纤维素结晶度是表征纤维素性质的重要指标。在生物质各个组分中，纤维素含量最高，含量可达40%-80%（王树荣等，2005）。因此，纤维素热裂解在很大程度上体现了生物质整体的热裂解规律。国内外研究中，纤维素热解机理的研究成果也最为丰富。许多学者通过研究纤维素热解机理提出纤维素热裂解反应动力学模型,普遍认可的是Broido-Shafizadeh模型（黄承洁等,2010；
【参考文献】：
期刊论文
[1]小麦秸秆生物炭吸附诺氟沙星特性[J]. 谭珍珍,张学杨,方茹,骆俊鹏,安天一,杨正武,张茹,贺斌. 工业水处理. 2020(01)
[2]浅谈能源转型背景下《生物质能》课程教学的改革[J]. 舒日洋,王超,陈颖. 广东化工. 2019(12)
[3]玉米秸秆基生物炭吸附诺氟沙星特性研究[J]. 张学杨,骆俊鹏,曹澄澄,谭珍珍,肖昕,李世钊. 徐州工程学院学报(自然科学版). 2019(02)
[4]生物质热解技术制备生物油研究现状及展望[J]. 徐国锋. 云南化工. 2019(04)
[5]Mo/ZSM-5催化作用下生物质快速热解制生物油实验研究[J]. 孙来芝,陈雷,赵保峰,杨双霞,谢新苹,孟凡军,司洪宇. 化工学报. 2019(08)
[6]基于欧拉-欧拉多相流模型对生物质快速热裂解的数值模拟[J]. 薛莲金,李信宝,王渝程,申朋飞. 动力工程学报. 2019(05)
[7]浅议生物质热裂解技术现状及发展[J]. 王树谷. 再生资源与循环经济. 2018(08)
[8]机械预处理对玉米皮性质的影响[J]. 魏媛,蔡国林,李晓敏,陆健. 食品与发酵工业. 2018(07)
[9]超声波辅助不同碱预处理对甘蔗渣酶解生成木糖含量的影响[J]. 崔媛媛,郑文静,许琳琳,刘容,孙卫东. 中国调味品. 2018(02)
[10]酸预处理对生物质快速热裂解产物的影响[J]. 刘洪阳,孙蒙蒙,毛安,李媛媛,李琪. 可再生能源. 2017(09)
博士论文
[1]生物质热化学催化氨化制备含氮芳香性杂环的研究[D]. 徐禄江.中国科学技术大学 2017
[2]干燥和烘焙预处理制备高品质生物质原料的基础研究[D]. 陈登宇.中国科学技术大学 2013
[3]生物质热裂解机理试验研究[D]. 谭洪.浙江大学 2005
硕士论文
[1]超声化学法分离桉木中木聚糖类组分的研究[D]. 牛司鹏.齐鲁工业大学 2019
[2]超声波强化氨水/超临界二氧化碳预处理木质纤维素工艺研究[D]. 李国民.大连理工大学 2016
[3]生物质热解机理研究[D]. 李豪杰.重庆大学 2011
[4]麦秸蒸汽爆破改性处理与制板工艺研究[D]. 付顺鑫.东北林业大学 2011
本文编号：3468775
【文章来源】：山东农业大学山东省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
生物质能转换技术主要类型（引自李豪杰，2011）
山东农业大学硕士论文7反应条件可调控三种热裂解产物比例。一般来说，生物质热裂解可分为低温慢速热解、中温快速热解和高温闪速热解。详细分类如表1-1所示。表1-1热解分类(引自陈登宇，2013)Table1-1Pyrolysiscategories(citedfrom陈登宇,2013)热解方式升温速率热解温度停留时间主要产物低温慢速热解缓慢500℃＞10min生物质炭中温快速热解1000℃/s500-650℃＜2s生物油高温闪速热解快700-1100℃＜1s可燃气体低温慢速热解：热解温度不超过500℃，反应时间较长，较长的滞留期可最大限度增加生物质炭的产率（35-40%）；中温快速热解：较短的滞留期可使产物快速冷凝，从而获得生物油（产率约60-70%）；高温闪速热解：热解温度在700-1100℃范围内，高温和较快的反应速率以及超短滞留期可提高气体产率（Luetal.,2009）。通过控制热解反应条件，可在较大范围内调整热裂解产物分布比例，以获取所需产物的最大产率。将最大限度调试热裂解反应条件，生物油产率可达70wt%以上（刘荣厚等，1997）。图1-3生物油的应用途径（引自刘荣厚等，2011）Figure1-3Applicationsforbio-oil（citedfrom刘荣厚etal.,2013）生物油是生物质热解的重点研究产物，是初级的热裂解产品，其组成非常复杂，含有脱水糖、醇、醛、酚、酸类及其它有机物，并且含水量大、含氧量高、黏度大、酸性强、热值低、热稳定性差，阻碍其进一步开发应用。目前生物油直接作为锅炉、燃气透平等设备的燃料使用，或进一步处理精制提纯用于生产燃料油品和高附加值化学品等，如图1-3所示。可燃气体（主要成分以CO2、CO、H2为主）根据其热值的高低，可直接用于燃料燃烧，或者与高热值气体混合用于民用燃气或工业燃气。生物质炭可直接作为
超声波协助酸预处理对松木理化性质及热裂解特性的影响8燃料，或经提质加工制成活性炭、电极材料等高价值产品。近年来,生物炭在土壤改良和污染控制与修复等方面应用广泛。如图1-4所示为生物质热解的技术路线。图1-4生物质热解技术路线（引自陈登宇，2013）Figure1-4Technicalrouteofbiomasspyrolysis（citedfrom陈登宇，2013）1.3.2生物质热裂解机理生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三种化学成分组成。热裂解加热时,随着温度的升高,生物质中的纤维素、半纤维素和木质素热解温度及热解速率并不一致（李豪杰，2011）。如表1-2所示。表1-2生物质热解过程Table1-2Biomasspyrolysisprocess类型初步软化温度℃分解温度℃主要产物纤维素200-400240-350挥发性产物半纤维素＜200200-260挥发性产物木质素＜200280-550炭生物质热裂解技术是当前生物质转化利用的有效方式，但初级热裂解产物限制了生物质能的充分利用。因此掌握生物质热裂解反应过程及热解机理，对改善热裂解产物性质、改良热裂解反应器以及优化热解工艺具有重要的意义。由于生物质结构及成分非常复杂，因此研究人员通常对生物质中三大组分进行分别研究，以掌握其各自的反应机理。纤维素是一种高分子多聚糖，结构单一，在自然界分布十分广泛，且结构单一，纤维素结构可分为结晶区和无定形区，以链状分子的排列形式划分，纤维素结晶度是表征纤维素性质的重要指标。在生物质各个组分中，纤维素含量最高，含量可达40%-80%（王树荣等，2005）。因此，纤维素热裂解在很大程度上体现了生物质整体的热裂解规律。国内外研究中，纤维素热解机理的研究成果也最为丰富。许多学者通过研究纤维素热解机理提出纤维素热裂解反应动力学模型,普遍认可的是Broido-Shafizadeh模型（黄承洁等,2010；
【参考文献】：
期刊论文
[1]小麦秸秆生物炭吸附诺氟沙星特性[J]. 谭珍珍,张学杨,方茹,骆俊鹏,安天一,杨正武,张茹,贺斌. 工业水处理. 2020(01)
[2]浅谈能源转型背景下《生物质能》课程教学的改革[J]. 舒日洋,王超,陈颖. 广东化工. 2019(12)
[3]玉米秸秆基生物炭吸附诺氟沙星特性研究[J]. 张学杨,骆俊鹏,曹澄澄,谭珍珍,肖昕,李世钊. 徐州工程学院学报(自然科学版). 2019(02)
[4]生物质热解技术制备生物油研究现状及展望[J]. 徐国锋. 云南化工. 2019(04)
[5]Mo/ZSM-5催化作用下生物质快速热解制生物油实验研究[J]. 孙来芝,陈雷,赵保峰,杨双霞,谢新苹,孟凡军,司洪宇. 化工学报. 2019(08)
[6]基于欧拉-欧拉多相流模型对生物质快速热裂解的数值模拟[J]. 薛莲金,李信宝,王渝程,申朋飞. 动力工程学报. 2019(05)
[7]浅议生物质热裂解技术现状及发展[J]. 王树谷. 再生资源与循环经济. 2018(08)
[8]机械预处理对玉米皮性质的影响[J]. 魏媛,蔡国林,李晓敏,陆健. 食品与发酵工业. 2018(07)
[9]超声波辅助不同碱预处理对甘蔗渣酶解生成木糖含量的影响[J]. 崔媛媛,郑文静,许琳琳,刘容,孙卫东. 中国调味品. 2018(02)
[10]酸预处理对生物质快速热裂解产物的影响[J]. 刘洪阳,孙蒙蒙,毛安,李媛媛,李琪. 可再生能源. 2017(09)
博士论文
[1]生物质热化学催化氨化制备含氮芳香性杂环的研究[D]. 徐禄江.中国科学技术大学 2017
[2]干燥和烘焙预处理制备高品质生物质原料的基础研究[D]. 陈登宇.中国科学技术大学 2013
[3]生物质热裂解机理试验研究[D]. 谭洪.浙江大学 2005
硕士论文
[1]超声化学法分离桉木中木聚糖类组分的研究[D]. 牛司鹏.齐鲁工业大学 2019
[2]超声波强化氨水/超临界二氧化碳预处理木质纤维素工艺研究[D]. 李国民.大连理工大学 2016
[3]生物质热解机理研究[D]. 李豪杰.重庆大学 2011
[4]麦秸蒸汽爆破改性处理与制板工艺研究[D]. 付顺鑫.东北林业大学 2011
本文编号：3468775
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/zaizhiyanjiusheng/3468775.html
教材专著
