论文题目: 秸秆热化学液化工艺和机理的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 农产品加工及贮藏工程
作者: 梁凌云
导师: 毛志怀
关键词: 热化学,液化,秸秆,循环液化,液化产物
文献来源: 中国农业大学
发表年度: 2005
论文摘要: 热化学液化是一种高效的生物质转化技术,能够将木质纤维素类材料转化为液体。将农业废弃物——农作物秸秆,通过热化学液化转化成为工业原料,替代石化产品,能够减轻农业废弃物对环境的污染,减少人类对石化资源的消耗与依赖,同时使大量农作物秸秆被增值转化,为农业生产开拓一个新的发展领域,将有利于生态环境的改善和农业的可持续发展。 本课题以农作物秸秆(玉米秸、麦秸、稻草、玉米芯)作为主要原料,以不同液化条件的选择、液化规律的探索以及液化工艺参数的优化为主要研究过程,分析了液化产物的得率及各质量参数,研究了秸秆循环液化、液化机理以及液化反应动力学,对液化工艺进行了优化,并建立秸秆液化反应动力学模型,以期为秸秆液化的工业化生产提供理论依据。 试验了不同的液化剂和催化剂对液化效果的影响,研究表明:EC和EC/EG混合溶剂是高效的液化剂,浓硫酸是一种高效的催化剂。在此基础上,进行了各参数的单因素试验,根据各液化条件与液化得率之间的关系,确定了秸秆液化的较适宜工艺参数范围:液化温度130～180℃、物料量20%～40%、催化剂量2.5%～4.5%以及液化时间60～90 min。秸秆在EC以及EC/EG混合溶剂中的液化趋势基本相同;单一组分较全秸秆容易液化,且其中木质素较纤维素容易液化。液化产物粘度的变化与液化得率基本上呈负相关性。在液化过程中,酸值和羟值在试验中变化范围较小。随着液化得率提高,羟值会相应增加,而酸值在试验过程中则相应减少或保持不变。 利用FTIR对纤维素、木质素以及玉米秸的液化产物及残渣进行分析,结果如下:纤维素在液化过程中有大量酯键生成,并且吡喃环消失;木质素在液化过程中紫丁香环消失,芳香环减少但仍然存在;玉米秸在液化的过程中,其中的纤维素和木质素先于半纤维素被液化,并且木质素变化程度较大。 以液化得率为试验指标,安排了二次回归正交旋转组合设计试验,得出试验指标和各参数之间的回归数学模型,并以此为基础对液化工艺进行了优化,得到优化工艺条件为:反应温度170℃,反应时间95 min,物料量20%,催化剂量3.70%,此时液化得率为92.06%。 为了节省液化剂并为秸秆连续液化生产提供依据,对秸秆循环液化进行研究,得到各循环次数下的最优组合条件:第一次液化,反应温度170℃,反应时间60 min,物料量25%,催化剂量4%;第二次液化,反应温度160℃,反应时间45 min,物料量20%,催化剂量4%;第三次液化,反应温度170℃,反应时间60 min,物料量25%,催化剂量3.5%。 纤维素以及不同秸秆液化的化学动力学研究结果显示,秸秆在液化反应初期(约12 min)符合伪一级反应,液化的化学反应动力学方程为-dC_m/dt=k·C_m,反应速率常数因物料的不同而不同。纤维素在液化初期阶段符合伪一级反应,液化反应动力学模型为-dC_m/dt=k·C_m,反应活化能公式为K=3.09×10~8e 79.20/RT,活化能为79.20 kJ/mol,属于容易进行的反应。
论文目录:
第一章 绪论
1.1 研究的目的和意义
1.2 我国农作物秸秆综合利用的研究进展
1.2.1 我国农作物秸秆资源的综合利用情况分析
1.2.2 农作物秸秆的组成及性能研究进展
1.3 国内外生物质液化技术的研究进展
1.3.1 热解液化技术的研究进展
1.3.2 直接液化技术的研究进展
1.5 研究目标与主要研究内容
1.5.1 文献总结
1.5.2 课题研究的目标
1.5.3 课题研究的内容
1.5.4 课题研究的技术路线
第二章 秸秆主要组成的分析研究
2.1 引言
2.2 材料与方法
2.2.1 试验材料
2.2.2 秸秆主要组成的测试方法
2.3 结果与讨论
2.3.1 秸秆的化学组成成分分析
2.3.2 秸秆的元素分析
2.4 小结
第三章 不同液化工艺对秸秆液化效果的试验研究
3.1 引言
3.2 材料与方法
3.2.1 试验材料
3.2.2 试剂和仪器
3.2.3 试验装置
3.2.4 试验设计
3.2.5 试验步骤
3.2.6 试验指标
3.3 结果与分析
3.3.1 液化剂和催化剂的筛选
3.3.2 不同液化工艺参数对玉米秸液化效果的影响
3.3.3 不同液化工艺参数对其它物料液化效果的影响
3.4 小结
第四章 秸秆液化产物红外光谱分析
4.1 引言
4.2 材料与方法
4.2.1 试验材料
4.2.2 试验仪器
4.2.3 试验方法
4.3 结果与讨论
4.3.1 脱脂棉纤维素液化产物及残渣红外谱图分析
4.3.2 碱木质素液化产物及残渣红外谱图分析
4.3.3 玉米秸及其液化残渣的红外谱图分析
4.4 小结
第五章 秸秆液化优化工艺的研究
5.1 引言
5.2 材料与方法
5.2.1 试验材料与装置
5.2.2 试验设计
5.2.3 试验方法
5.3 秸秆液化优化工艺的研究
5.3.1 试验结果
5.3.2 液化工艺参数的优化
5.5 小结
第六章 秸秆循环液化的研究
6.1 引言
6.2 材料与方法
6.2.1 试验材料与装置
6.2.2 试剂和仪器
6.2.3 试验设计
6.2.4 试验过程
6.2.4 试验测量方法
6.3 单因素试验结果分析
6.3.1 温度对循环液化的影响
6.3.2 物料量对循环液化的影响
6.3.3 催化剂量对循环液化的影响
6.4 循环液化条件的工艺优化
6.4.1 正交试验设计
6.4.2 正交试验结果分析
6.5 小结
第七章 秸秆液化化学动力学模型的研究
7.1 引言
7.2 材料与方法
7.2.1 试验材料与装置
7.2.2 试验指标
7.2.3 试验设计
7.3 液化反应的动力学模型
7.3.1 液化反应的化学反应过程
7.3.2 几点假设
7.3.3 动力学模型
7.3.4 反应动力学参数的确定
7.4 秸秆液化反应的动力学模型
7.4.1 不同秸秆在EC中的液化反应动力学模型
7.4.2 不同秸秆在EC／EG混合溶剂中的液化动力学模型
7.5 纤维素液化反应的动力学模型
7.5.1 纤维素液化反应动力学模型
7.5.2 纤维素液化反应活化能
7.5 小结
第八章 结论与建议
8.1 主要结论
8.2 主要创新点
8.3 建议
参考文献
附录
致谢
个人简介
发布时间: 2005-07-22
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