小麥秸稈熱解特性研究及其動力學(xué)分析

【摘要】：在能源和環(huán)境的雙重壓力下，生物質(zhì)能的開發(fā)利用逐漸得到重視，熱解技術(shù)是開發(fā)利用生物質(zhì)能的基礎(chǔ)。本研究采用熱重分析儀對麥秸進(jìn)行熱解實驗，分別研究了實驗條件（麥秸粒徑和升溫速率）、預(yù)處理方法（水洗、酸洗、堿洗、微波和超聲處理）、催化劑（堿金屬鹽、堿土金屬鹽、過渡金屬鹽、Al2O3、Al2O3-Na2CO3）對麥秸熱解過程的影響，用動力學(xué)分析方法對麥秸熱解過程進(jìn)行了分析，求得麥秸熱解動力學(xué)三因子—熱解機(jī)制函數(shù)、活化能和指前因子，隨后研究了麥秸與不同品種煤（煙煤和無煙煤）的共熱解特性，分析摻混比對共熱解過程的影響，并用單一升溫速率法對熱解過程進(jìn)行動力學(xué)分析。研究結(jié)果如下： （1）分析不同粒徑麥秸在不同升溫速率下的熱重-微分熱重（TG-DTG）曲線得出，麥秸熱解的最佳粒徑為0.1~0.25mm，最佳升溫速率為10℃/min。以單一升溫速率法中Coats-Redfern法和Achar法確定麥秸熱解過程機(jī)制函數(shù)為第6號函數(shù)，積分形式機(jī)理函數(shù)為g(α)=[1-(1-α)1/3]2，微分形式機(jī)理函數(shù)為f(α)=1.5(1-α)2/3[1-(1-α)1/3]-1，反應(yīng)級數(shù)n=2，熱解過程為三維擴(kuò)散（球形對稱）機(jī)制控制，遵循Jander方程，熱解活化能在120~170kJ/mol之間，用多重升溫速率法驗證求得的結(jié)果較為準(zhǔn)確。麥秸熱解過程表觀活化能Ea和指前因子lnA隨轉(zhuǎn)化率α的變化趨勢一致，說明熱解過程中存在動力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)。0.1~0.25mm麥秸在10℃/min升溫速率下的TG-DTG曲線表明麥秸熱解過程主要分為四個階段：干燥階段、預(yù)熱階段、揮發(fā)分析出階段和碳化階段。 （2）預(yù)處理中的水洗和酸洗可以提高麥秸熱解產(chǎn)物中揮發(fā)分含量，降低熱解活化能。堿處理使麥秸熱解過程向低溫區(qū)域移動，如氫氧化鈉可使麥秸熱解活化能從151.44kJ/mol降至84.09kJ/mol。微波和超聲處理能夠改變麥秸顆粒內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)麥秸熱解，降低活化能。水洗、鹽酸、磷酸、微波和超聲處理后麥秸熱解最概然機(jī)制函數(shù)為第7號函數(shù)，經(jīng)硫酸處理后熱解機(jī)制函數(shù)為第17號函數(shù)；經(jīng)氫氧化鉀和碳酸鈉溶液浸泡后，麥秸主熱解階段所遵循的最概然機(jī)制函數(shù)為第9號函數(shù)，氫氧化鈉使麥秸熱解機(jī)制函數(shù)變?yōu)榈?6號函數(shù)。 （3）堿金屬鹽和CaCO3能促進(jìn)麥秸中半纖維素的分解，使熱解DTG曲線中位于低溫區(qū)域的肩峰消失。FeSO4和ZnSO4能夠降低麥秸熱解速率。Al2O3和Al2O3-Na2CO3使麥秸熱解起始溫度向高溫區(qū)域移動，Al2O3可明顯增大麥秸熱解速率。在無機(jī)金屬鹽的催化作用下麥秸熱解過程最概然機(jī)理函數(shù)為第7號函數(shù)，積分形式機(jī)理函數(shù)g(α)=1-2α/3-(1-α)2/3，微分形式機(jī)理函數(shù)f(α)=3/2[(1-α)1/3-1]-1，熱解由三維擴(kuò)散（圓柱形對稱）機(jī)制控制，并且遵循G.-B.方程，F(xiàn)eSO4、ZnSO4、CaCl2和MgSO4能降低麥秸熱解的表觀活化能，其中FeSO4的效果最為明顯，使活化能從135.66kJ/mol降至113.66kJ/mol。Al2O3單獨作用時麥秸熱解機(jī)制函數(shù)為第2號函數(shù)，熱解過程由二維擴(kuò)散控制，遵循Valensi方程，熱解活化能增加。 （4）麥秸與煙煤（無煙煤）的共熱解過程中存在協(xié)同作用，麥秸對煤的熱解過程同時存在促進(jìn)和抑制作用，當(dāng)麥秸摻混比較小時主要起促進(jìn)作用，麥秸摻混比高時抑制作用較為明顯。煙煤與麥秸共熱解過程的機(jī)制函數(shù)為第7號函數(shù)，熱解活化能位于165~175kJ/mol之間。當(dāng)無煙煤與麥秸質(zhì)量比為8:2時，共熱解機(jī)制函數(shù)為第9號函數(shù)，熱解活為203.86kJ/mol。當(dāng)無煙煤與麥秸質(zhì)量比為5:5和3:7時，共熱解機(jī)制函數(shù)為第2號函數(shù)，熱解活化能位于160~170kJ/mol之間。 【關(guān)鍵詞】：小麥秸稈 熱解 熱分析動力學(xué) 預(yù)處理 催化劑 煤
【學(xué)位授予單位】：吉首大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S216.2
【目錄】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 第1章 緒論14-27
• 1.1 引言14
• 1.2 生物質(zhì)能概述14-19
• 1.2.1 生物質(zhì)能特點15
• 1.2.2 生物質(zhì)能開發(fā)利用技術(shù)15-17
• 1.2.3 國內(nèi)外生物質(zhì)能開發(fā)利用現(xiàn)狀17-19
• 1.3 生物質(zhì)熱解19-25
• 1.3.1 生物質(zhì)熱解技術(shù)19-20
• 1.3.2 國內(nèi)外生物質(zhì)熱解研究現(xiàn)狀20-24
• 1.3.3 生物質(zhì)熱解動力學(xué)24-25
• 1.4 研究目的和意義25-27
• 1.4.1 研究目的25
• 1.4.2 研究意義25-27
• 第2章 不同實驗條件對麥秸熱解特性的影響27-34
• 2.1 實驗27-29
• 2.1.1 材料處理及工業(yè)分析27-28
• 2.1.2 實驗儀器及方法28
• 2.1.3 熱分析動力學(xué)方法28-29
• 2.2 結(jié)果與分析29-31
• 2.2.1 粒徑對麥秸熱解過程的影響29-30
• 2.2.2 升溫速率對麥秸熱解過程的影響30-31
• 2.3 麥秸主熱解階段的熱分解動力學(xué)31-33
• 2.3.1 主熱解階段機(jī)制函數(shù)的推斷31
• 2.3.2 不同實驗條件對麥秸熱解動力學(xué)參數(shù)的影響31-32
• 2.3.3 不同轉(zhuǎn)化率下的動力學(xué)參數(shù)32-33
• 2.4 小結(jié)33-34
• 第3章 預(yù)處理對麥秸熱解特性的影響34-40
• 3.1 實驗34-35
• 3.1.1 實驗材料及儀器34
• 3.1.2 實驗方法34-35
• 3.1.3 熱分析動力學(xué)方法35
• 3.2 結(jié)果與分析35-38
• 3.2.1 酸洗對麥秸熱解過程的影響35-36
• 3.2.2 堿洗對麥秸熱解過程的影響36-37
• 3.2.3 微波、超聲處理對麥秸熱解過程的影響37-38
• 3.3 預(yù)處理對麥秸熱解動力學(xué)參數(shù)的影響38-39
• 3.4 小結(jié)39-40
• 第4章 無機(jī)金屬鹽對麥秸熱解特性的影響40-46
• 4.1 實驗40-41
• 4.1.1 實驗材料與儀器40-41
• 4.1.2 實驗方法41
• 4.1.3 熱分析動力學(xué)方法41
• 4.2 結(jié)果與分析41-44
• 4.2.1 堿金屬鹽對麥秸熱解過程的影響41-42
• 4.2.2 堿土金屬鹽對麥秸熱解過程的影響42-43
• 4.2.3 過渡金屬鹽對麥秸熱解過程的影響43
• 4.2.4 復(fù)合型催化劑對麥秸熱解過程的影響43-44
• 4.3 無機(jī)金屬鹽對麥秸熱解動力學(xué)參數(shù)的影響44-45
• 4.4 小結(jié)45-46
• 第5章 麥秸與煤熱解特性研究46-54
• 5.1 實驗46-47
• 5.1.1 材料處理及工業(yè)分析46-47
• 5.1.2 實驗儀器及方法47
• 5.1.3 熱分析動力學(xué)方法47
• 5.2 結(jié)果與分析47-50
• 5.2.1 煙煤和無煙煤單獨熱解實驗結(jié)果47-48
• 5.2.2 不同摻混比對煙煤與麥秸共熱解實驗過程的影響48-49
• 5.2.3 不同摻混比對無煙煤與麥秸共熱解實驗過程的影響49-50
• 5.3 麥秸與煤熱解過程動力學(xué)分析50-52
• 5.3.1 煤單獨熱解機(jī)制函數(shù)的推斷50-51
• 5.3.2 麥秸與煤共熱解過程動力學(xué)參數(shù)的計算51-52
• 5.4 小結(jié)52-54
• 第6章 結(jié)論、創(chuàng)新點與展望54-57
• 6.1 結(jié)論54-55
• 6.2 創(chuàng)新點55
• 6.3 不足之處55
• 6.4 展望55-57
• 致謝57-58
• 參考文獻(xiàn)58-63
• 作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果63-64
• 附錄 40 種常見動力學(xué)機(jī)理函數(shù)表64-65

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