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生物质中氮赋存形式与热解过程氮迁移转化实验研究

陈德民  
【摘要】:由于生长需要,生物质中氮元素普遍含量较高,含氮物质在生物质热化学转化过程中易于挥发转化,形成气体污染物或冷凝在液体产物中,进而引起环境问题或影响产品的进一步利用。为了更好地了解N的迁徙转化与合理的对其进行利用,本研究主要对生物质中N的赋存形态以及在热转化过程中的迁徙和转化形态进行研究,这对生物质的清洁高效利用有着重要的意义。本文选用十五种生物质为原料,利用元素分析仪和凯式定氮仪对生物质中总含氮量和蛋白质含氮量进行测量,研究发现农业废弃物和林业废弃物中的蛋白质氮含量占生物质总氮含量的80%以上,油类作物的蛋白质氮含量占总氮含量的比例较低,为70%左右,综合所测生物质,N主要以蛋白质的形式存在。同时采用氨基酸测定仪对生物质中主要的氨基酸含量进行研究,实验表明生物质氨基酸含量具有相似性,极性氨基酸含量最高,其次为非极性氨基酸,芳香类氨基酸和杂环氨基酸含量较低,在极性氨基酸中谷氨酸质量含量最高,非极性氨基酸中丙氨酸含量最高,苯丙氨酸在芳香类氨基酸中含量最高,脯氨酸是杂环氨基酸的代表。为了解不同温度下热解过程N迁徙转化机制,本研究选择350℃、450℃、550℃和650℃四个温度对谷氨酸、丙氨酸与纤维素和木质素的混合物进行热解,探究温度对热解过程中三态产物氮元素含量以及热解油和热解气中氮赋存形式的影响。研究表明随着温度的升高,当纤维素与谷氨酸混合热解时,焦炭中氮含量占总氮含量的比例降低,热解油和热解气中的氮含量上升,且在低温段变化更加明显;热解气中NH3生成量增加,HCN生成量在低温段变化不大,温度升至650℃时生成量增加明显;纤维素与丙氨酸反应过程中,450℃焦炭内的含氮量占总含氮量比例最高,热解油含氮量占总含氮量比例随温度升高而降低,热解气中NH3生成量降低,HCN生成量先增加再降低;木质素与谷氨酸混合热解时,随着温度的升高,焦炭氮含量增加,热解油氮含量降低,气体氮含量增加明显,NH3生成量增加,HCN的生成与NH3呈竞争关系;木质素与丙氨酸实验中,焦炭氮含量变化不大,温度升高主要促进热解油内氮元素进入气态产物中,促进NH3和HCN的生成。为研究热解过程中氮迁移和分布规律,采用四种氨基酸模型化合物与纤维素、木质素在500℃分别混合热解,检测热解三态产物的氮含量,利用GC-MS检测热解油中含氮物质,根据三态产物含氮量差别和热解油中氮赋存形式判定氨基酸种类、含量和三组分结构对生物质热解过程氮迁移和转化的影响。研究发现木质素与极性氨基酸和芳香类氨基酸反应较为剧烈,且木质素与氨基酸作用会增加气体中氮含量;纤维素与氨基酸之间发生美拉德反应,氨基酸浓度越高,美拉德反应越激烈,反应造成热解油中氮含量增加,对气体氮含量影响不大。纤维素与氨基酸之间的美拉德反应不如木质素与氨基酸之间的交互反应剧烈,这是由纤维素的结构所决定,木质素对生物质氮迁移的影响较大。


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