木質(zhì)生物質(zhì)各組分熱解過程和熱力學(xué)特性研究.pdf

1、生物質(zhì)是目前唯一能夠同時(shí)提供固體、液體和氣體燃料的可再生能源。然而由于生物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其熱解也是一個(gè)包含物理化學(xué)變化的復(fù)雜過程。為了揭示熱解過程中生物質(zhì)及生物質(zhì)組分的吸放熱規(guī)律，以及組分間的相互影響規(guī)律，本文采用熱分析技術(shù)及熱重分析技術(shù)對生物質(zhì)及其組分熱解過程進(jìn)行了研究，所做的工作主要有如下幾個(gè)方面:
　　 采用熱重分析儀(TG)和同步熱分析儀(STA)對纖維素、木聚糖、木質(zhì)素以及混合組分進(jìn)行了熱解研究，結(jié)果表明纖維素和木聚糖均

2、有一狹窄的快速熱解溫度區(qū)間，在此對應(yīng)溫度區(qū)間有一明顯的吸熱峰，吸熱量為547.98J/g和45.01J/g。木質(zhì)素的熱解溫度范圍比較寬，在320～500℃之間有兩處放熱趨勢。木聚糖與纖維素的混合組分熱解過程有兩個(gè)失重峰，隨著組分中比重的變化兩個(gè)熱失重峰此消彼長。木聚糖對纖維素的熱解具有較大的抑制作用，纖維素的熱解失重峰移往高溫區(qū)，最大失重速率有較大幅度的減小，纖維素對木聚糖的熱解影響較小。失重峰對應(yīng)區(qū)域檢測到兩個(gè)獨(dú)立的吸熱峰，木聚糖吸熱

3、峰受組分中比重的變化影響較小，而纖維素吸熱峰隨著纖維素比重的下降而明顯減小。纖維素與木質(zhì)素的混合組分熱解僅有一個(gè)主要由纖維素?zé)峤庖鸬氖е胤?，纖維素開始熱失重溫度有所提前，而峰值溫度往后延，且最大失重值有較大的減小。在纖維素與木質(zhì)素二比一混合時(shí)檢測到纖維素的吸熱峰，其它比例樣品則未檢測到吸熱峰。木聚糖與木質(zhì)素的混合組分熱解也只有一個(gè)主要由木聚糖熱解引起的失重峰，熱解區(qū)域稍往高溫區(qū)移動(dòng)。木聚糖吸熱峰僅在木聚糖含量較高時(shí)出現(xiàn)。
　　

4、 利用熱重與傅立葉紅外光譜聯(lián)用技術(shù)(TG-FTIR)和熱重質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(TG-MS)對生物質(zhì)組分及其混合組分進(jìn)行熱解和產(chǎn)物分析。FTIR檢測到的熱解產(chǎn)物主要包括H2O、CH4、CO2、CO和有機(jī)化合物，水分的析出幾乎在整個(gè)熱解過程，其余產(chǎn)物的析出溫度對應(yīng)于各自熱失重區(qū)域?；旌辖M分熱解產(chǎn)物析出規(guī)律總體上是兩者熱解產(chǎn)物析出的疊加，其中CH4、酸類、醛類、酚類和CO的產(chǎn)率增大，而CO2的析出量有較大幅度下降。TG-MS的結(jié)果表明木聚糖與纖維素

5、熱解產(chǎn)物主要集中在快速熱失重階段，而木質(zhì)素產(chǎn)物析出量較少，具有較寬的析出區(qū)域，混合組分熱解的TG-MS結(jié)果與TG-FTIR結(jié)果相似。
　　 利用絕熱加速量熱儀(ARC)進(jìn)行了多種生物質(zhì)及生物質(zhì)組分的慢速熱解，檢測熱解過程的吸放熱情況，結(jié)果顯示在緩慢升溫過程中，木聚糖在204.5～232.2℃之間有一尖銳的放熱峰，放出熱量約為566.205 J/g，而纖維素的放熱峰在242.3～260.5℃之間，放熱量約為655.225 J/g，

6、木質(zhì)素卻在133.3～292.2℃有吸熱趨勢，抽提物在98.1～186.1℃之間出現(xiàn)吸熱趨勢。木聚糖與纖維素的混合組分在180～277℃之間有兩個(gè)放熱峰，與單獨(dú)熱解時(shí)相比放熱提前，纖維素的放熱則受到明顯抑制。木聚糖與木質(zhì)素進(jìn)行混合熱解時(shí)，檢測到一個(gè)放熱峰，木質(zhì)素的加入對木聚糖的放熱抑制明顯，木質(zhì)素含量越多混合組分放熱越微弱。纖維素與木質(zhì)素進(jìn)行混合熱解時(shí)，木質(zhì)素的加入導(dǎo)致放熱量大為減少。木質(zhì)生物質(zhì)熱解過程中一般均有兩個(gè)相連的放熱峰出現(xiàn)，分

7、別來源于半纖維素和纖維素，而且木質(zhì)素的吸熱趨勢同樣被檢測到。各生物質(zhì)的起始放熱溫度在190℃前后，第一個(gè)峰值溫度在220℃左右，第二個(gè)放熱峰峰值集中在255℃前后，放出的熱量也不盡相同。
　　 采用惰性溶劑分別從山毛櫸和楊木木屑中抽提得到相應(yīng)的抽提物及抽提殘?jiān)?，對抽提物、抽提殘?jiān)吧镔|(zhì)原樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，并利用TG-FTIR和管式爐進(jìn)行熱解。結(jié)果表明，抽提物結(jié)構(gòu)中含有羥基、羧基、苯環(huán)和酯帶等，而抽提物的去除沒有改變生物質(zhì)的基本結(jié)

8、構(gòu)，對其熱失重行為的影響也很小。TG實(shí)驗(yàn)中抽提物的主要熱失重區(qū)間為227～450℃，在227～300℃之間有一肩狀峰，DTG峰值溫度為362.9℃，最大失重速率為4.28％/min，剩余殘?jiān)鼮?0.82％。FTIR檢測到的產(chǎn)物主要有水、CH4、CO2、CO、酸類物質(zhì)、芳烴類物質(zhì)、酚類物質(zhì)和烷烴類物質(zhì)。管式爐熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，抽提物熱解液體產(chǎn)物含有多核芳香烴類、烷烴類、酯類、酚類、酮類等物質(zhì)。抽提殘?jiān)后w產(chǎn)物中酚類的總量和種類均比生物質(zhì)原