生物质热解气相产物析出特性及本征动力学研究

生物质热解气相产物析出特性及本征动力学研究

热解是生物质能转化为可利用的中间化学品的前沿技术之一。生物质热解过程中添加适当的催化剂可以有选择性的获得所需产物以及增大产率。

但是不同金属盐对生物质热解产物的催化效果及催化机理并不相同。因此研究金属盐对玉米秸秆及其三组分热解气体产物的影响具有一定的实用价值。

首先,在热重红外联用仪上开展玉米秸秆及三组分等温热解的实验研究,获得热分析基础数据,为后续等温快速热解实验提供参考。研究发现,玉米秸秆三组分的热稳定性存在较大差异,这种区别会对气体的产生过程产生影响。

尽管主热解温度范围稍有差别,但是在温度超过550℃之后,玉米秸秆及三组分的热解均已完成,这对后期的微型流化床等温热解试验温度的确定提供了依据。其次,进行不同温度下玉米秸秆及三组分热解实验,对单组分的热解气体释放特性进行深入分析。

在热解实验之前对微型流化床进行调试,优化玉米秸秆及其三组分热解时的相关实验条件,包括反应温度确定、流化气量选择、进料量等。通过气体释放特性的差异可以看出4种气体组分生成机理并不相同,这与热重实验结果一致。

此外,对于每种气体组分,达到相同转化率的停留时间随着温度升高而逐渐缩短,说明高温对生物质热解反应的进行有益处。再次,进行金属盐催化生物质热解实验,旨在进一步掌握三种金属盐（NaCl,K₂CO₃和

Na₂CO₃）对玉米秸秆热解气体产物的催化机理。

在催化热解过程中,发现添加K₂CO₃、

Na₂CO₃的加入促进了挥发分中含羰基、羧基化合物的分解进而使低温时生成CO、CO₂的转化率加快;而随着温度升高,三组分热解的相关反应都很容易发生,K₂CO₃、

Na₂CO₃的参与作用并不明显,而且附着在三组分结构空隙中的金属盐还会阻碍气体从通道中析出,使CO、CO₂的转化率减慢。与纤维素和半纤维素不同的是金属盐使木质素上的苯环的稠环化加剧,促进了脱氢生成H₂,进而增强了木质素热解产物H₂的强度。

最后进行本征动力学分析,采用模型积分法获得气体组分的活化能E值和指前因子A值,并对各模型的拟合结果进行评价,筛选出最适合的动力学模型。采用微型流化床可以克服仪器热滞后所带来的影响,获得热解本征动力学。

研究发现CO和CO₂生成的活化能普遍比CH₄、H₂小,说明CO、CO₂比CH₄、

H₂更容易生成。同时,添加三种金属盐会改变气体活化能,进而影响气体产物的释放特性及转化率。