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《浙江大学》 2003年
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纤维素热裂解机理试验研究

廖艳芬  
【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,其中,生物质热裂解技术由于可以将低品位的生物质能转化为高品质的液体燃料或者高附加值的化工原料而受到广泛关注。纤维素作为生物质最主要的组成部分,对其热裂解过程的深入研究将有助于提高我国生物质能源的转化利用水平,促进生物质能源的开发和利用。基于这一目的,本文在对生物质利用意义和热裂解工艺的一般原理和主要特征归纳总结的基础上,首先对国内外代表性的热裂解工艺进行了系统的介绍和比较,并对纤维素热裂解领域的研究进展进行了详细阐述。 为研究纤维素的热裂解特性,掌握其裂解动力学过程,本文首先在热天平装置上开展了纯纤维素的热失重研究,结合金属盐催化条件下的纤维素热裂解过程,以分段分析法对热裂解出现的不同阶段进行了详细分析,从热失重试验中直接获得了纤维素热裂解过程中的连续和竞争反应模式。基于普遍接受的Broido—Shafizadeh动力学模型,分析认为该反应模式对应为活性纤维素的生成以及后续的两消耗活性纤维素的竞争反应,分别生成了挥发份和焦炭产物。金属盐的催化选择性,导致三个主体反应过程在不同反应环境下发展程度不同,体现为表观活化能的差异。 然后在热辐射加热机理反应炉上,全面研究了纤维素热裂解气体、生物油和焦炭产物随辐射源温度、气相停留时间、物料厚度等反应条件的影响规律,并在610℃辐射源温度下获得了86.29%的最高生物油产率。同时对原料包含的自由水分含量和不同金属盐成分以及一些热解工艺中涉及到的稀酸浸泡预处理对纤维素热裂解特性的影响进行了研究和分析,为纤维素热裂解的机理分析提供了坚实基础。 采用GC-MS联用系统对生物油进行成分分析,发现生物油主要组分之间呈现相互竞争的趋势,在二次反应不明显发生条件下,高温有利于糖类以外产物的生成。同时随着气相停留时间的增加,左旋葡聚糖在热裂解过程中作为中间产物,发生强烈的二次分解,生成了自身之外几乎所有的纤维素热裂解焦油成分,该检测结果证实挥发份生成过程中同样存在的竞争和连续反应模式。 结合前面机理试验和生物油检测结果发现,金属盐的催化作用发生在固相物料中,以离子形式参与到有机分子基团内部,选择性的催化生成了不同类别的反应。其中,K~+对分子的破碎和分裂过程催化强烈,而Ca~(2+)同时还侧重于分子内部的重整催化,获得更多的杂环化合物。酸性条件的存在对于纤维素大分子的解聚和分子间脱水反应具有强烈催化效果,而且不同种类酸具有各异的催化选择性。由此获得了热裂解工艺中除控制反应工况之外,制取要求产物、优化产物组成的其它手段。 综合纤维素机理试验和中间化合物的热解研究结果,首次将该领域中争执不休的乙醇醛与左旋葡聚糖之间关系问题做出了合理解答,给出了其生成发展的多种反应途径。并在分析纤维素一次反应、挥发份二次裂解以及各主要产物的生成和演变过程基础上,探讨得到完整统一的纤维素热裂解机理模型。 在此反应机理模型基础上,本文结合试验装置特征,建立了综合考虑物料内外各种方式的传热、不同产物的流动、传质和随反应进程不断变化的物理特征,以及物料外部气相空间的二次裂解过程等各种因素下的纤维素热裂解综合数学模型。首次将纤维素热裂解重要化合物的生成演化过程纳入了模型之中,对气体、生物油、焦炭以及中间产物的发展、分布历程进行了模拟。通过对不同辐射源温度和载气流量下热解过程的计算,模型预测了反应工况和自由水分含量对热解过程以及部分中间产物生成反应和二次分解的影响。模型结果与试验事实吻合良好,计算所得结论可为工程设计提供参考依据。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:S216.2

【引证文献】
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4 高凤芹;刘斌;孙启忠;徐伟慧;;纤维素乙醇生物转化工艺的研究进展[J];湖北农业科学;2010年03期
5 ;梅花牵手诺维信[J];中国畜牧杂志;2011年12期
6 陈洪章;;利用植物纤维原料发酵生产蛋白饲料的工艺[J];饲料研究;1993年11期
7 杨明非,潘雪峰;红外光谱法研究木材纤维素的结晶度[J];林业科技;1989年02期
8 ;科技点滴[J];世界农业;2007年05期
9 П·А·哈兹因,曾桑录;微生物蛋白质饲料生产中的近期动态[J];粮食与饲料工业;1987年05期
10 田根林;余雁;王戈;程海涛;陆方;;竹材表面超疏水改性的初步研究[J];北京林业大学学报;2010年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 金立维;储富祥;;纤维素在可生物降解复合材料中的研究进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第2分册)[C];2010年
2 高凤芹;闫志坚;孙启忠;邢启明;;纤维素乙醇生物转化工艺的研究进展[A];2009全国可再生能源—生物质能利用技术研讨会论文集[C];2009年
3 张桂芳;杨喜明;韦松梁;程博闻;张联盟;;纤维素/聚硅酸盐杂化材料热性能的研究[A];2005年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2005年
4 李胜海;王俊华;张所波;;化学蒸汽沉积法制备稳定、透明的超疏水纤维素类材料[A];2007年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(下册)[C];2007年
5 程隆棣;;纤维素再生纤维及其纺织品[A];“太平洋杯”2007现代梳理技术交流研讨会论文集[C];2007年
6 赵华;丁涓;;白腐菌对玉米芯生物降解的研究[A];第三届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2006年
7 黄建国;;以天然纤维素作为模板和骨架的新型纳米功能材料[A];中国化学会第26届学术年会纳米化学分会场论文集[C];2008年
8 李厦;卢潇冰;陈霖铮;张勇;;竹材纤维纳米微晶纤维素的受控酶解制备与性能表征[A];中国造纸学会第十五届学术年会论文集[C];2012年
9 施晓晔;;新型医用纺织品——防粘连隔离材料[A];铜牛杯第九届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2009年
10 余雁;江泽慧;田根林;王戈;;纳米技术在木材科学中的应用:现状与挑战[A];第二届中国林业学术大会——S11 木材及生物质资源高效增值利用与木材安全论文集[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 邓国军;纤维素溶解新技术获国际化学大奖[N];中国纺织报;2011年
2 刘国信;天然高分子包材的性能及应用[N];中国包装报;2007年
3 记者 毛黎;粉碎的玉米青贮可产更多乙醇[N];科技日报;2009年
4 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室副主任 程隆棣;领舞2008的纤维素纤维和弹性纤维[N];中国纺织报;2007年
5 张行;美日两国绝热隔音材料发展态势[N];中国建材报;2007年
6 记者 王瑞军通讯员 王东琦;教育部生物炼制工程研究中心落户秦皇岛[N];河北经济日报;2007年
7 田新鑫;微藻:生物能源的新来源[N];中国经济导报;2008年
8 李义;日本高端纺织产品极具竞争优势(一)[N];中国贸易报;2007年
9 李雯;热带白蚁体内藏“金矿”,能化木屑稻草为“神奇”[N];新华每日电讯;2007年
10 李宏乾;微藻:生物能源的新来源[N];中国化工报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 肖巍;若干表面功能化修饰纤维素材料的制备及其应用[D];浙江大学;2013年
2 张玲芝;新型纤维素荧光材料的合成、结构与性能研究[D];武汉大学;2013年
3 曲萍;纳米纤维素/聚乳酸复合材料及界面相容性研究[D];北京林业大学;2013年
4 周庆新;木霉纤维素膨胀因子Swollenin与β-葡萄糖苷酶的功能研究[D];山东大学;2011年
5 韩咚林;绿色新能源铝/水基燃料燃烧特性研究和绿色生物质材料的制备[D];中国科学技术大学;2010年
6 李伟;纳米纤维素超声辅助法制备及性能研究[D];东北林业大学;2012年
7 李书明;纤维素基抗菌复合材料的制备与性能研究[D];北京林业大学;2013年
8 陈文帅;生物质纳米纤维素及其自聚集气凝胶的制备与结构性能研究[D];东北林业大学;2013年
9 李明飞;基于生物炼制的竹材组分分离及苄基化研究[D];北京林业大学;2012年
10 潘虹;基于纤维素的分子刷的制备、复配及性能的研究[D];天津大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 宋强;纤维素脂肪酸酯的制备及其吸附有机污染物[D];南京林业大学;2011年
2 黄丽浈;纤维素的溶解再生与接枝改性[D];华南理工大学;2013年
3 郑丽;基于互穿网络结构的纤维素/蛋白质及多糖复合膜的制备[D];青岛大学;2012年
4 耿红娟;低温溶解体系中纤维素薄膜与凝胶的制备、结构与性质研究[D];齐鲁工业大学;2014年
5 童芳丽;纤维素微球和纤维素复合晶胶微球的制备新方法研究[D];浙江大学;2014年
6 刘晓辉;NMMO溶剂法纤维素海绵的制备[D];东华大学;2014年
7 李德娟;纤维素的RAFT接枝改性及其对纸浆的增强作用[D];齐鲁工业大学;2014年
8 毛云增;纤维素/NaOH/尿素溶液的性能及纤维素材料结构调控研究[D];东华大学;2014年
9 代琛;草本植物纤维素提取、溶解及成膜性能的研究[D];中国石油大学;2011年
10 赵琤;离子液体中棉杆纤维素氨基甲酸酯的合成与表征[D];天津科技大学;2010年
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