纤维素热重分析及热解动力学研究

论文摘要

化石能源的日益枯竭及其带来的环境问题,使得低污染和可再生能源生物质能的利用越来越受到人们的重视。人们都期望生物质发电厂能够产业化,但是,目前国内生物质能的生产企业仍需要依靠国家的补贴政策才能够赢利。通过原料种类的拓宽、高效能源转换技术的研发等,可以降低生产成本,促进相关企业的发展。本文对生物质利用意义和热解技术进行了总结,随后从热重实验角度讨论了纤维素热裂解过程的动力学分析研究现状。对当前文献里所使用的热分析方法的研究情况进行了系统的介绍。本研究的对象为生物质的主要组分纤维素。首先在综合热分析仪上对纤维素进行了热失重研究,为了比较不同的热分析方法（单扫描速率和多扫描速率）处理效果,进行了不同升温速率、样品粒度及不同升温程序的实验。对实验数据进行了平滑处理,最后用几种类型的代表方法进行了动力学分析。实验结果表明纤维素的热解在TG曲线上表现为一个台阶,其热解分为四个阶段,即水分解吸附,降低聚合度,主要热解段,残余物缓慢分解段。升温速率越快,热滞后越严重。本文研究的条件下,升温速率的对失重最大点温度的影响可以用Tp= 277.29 + 1.6286β来表达。不同粒度样品的实验表明粒度小的样品主要由化学反应决定热解特性,而粒度大的样品则是化学反应、传热和扩散等多因素控制热解特性。DTA基线的漂移其中的一个主要因素是热解段前后（即发生化学反应前后）物质的比热容发生了变化。DTA基线上漂,说明生成物的比热容比样品的比热容小;DTA基线下漂,说明生成物的比热容比样品的比热容大。各种动力学方法求出的动力学参数有一定的偏差,它们之间可以相互验证,相互补充。综合多种结果得出纤维素的热解反应级数大约为1,在主要热解段的活化能大约为152.1kJ/mol。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 生物质能开发的意义及特点
• 1.1.1 生物质能开发的意义
• 1.1.2 生物质能的特点
• 1.1.3 生物质能的可利用范围
• 1.2 生物质转化与利用技术
• 1.2.1 生物质热解技术
• 1.2.2 纤维素热解研究综述
• 1.3 热分析动力学方法研究综述
• 1.3.1 非参数动力学法（NPK）
• 1.3.2 TA 曲线形状法
• 1.3.3 Vyazovkin 法和Budrugeac 法
• 1.3.4 热分析动力学的新技术
• 1.4 论文研究的目的、意义及内容
• 1.4.1 目的及意义
• 1.4.2 研究内容
• 2 热分析基础理论
• 2.1 热分析简史及定义
• 2.1.1 热分析技术发展简史
• 2.1.2 热分析技术的定义
• 2.2 热分析种类及原理
• 2.2.1 热分析技术分类
• 2.2.2 常用热分析方法的定义及原理
• 2.3 热解反应的动力学理论
• 2.3.1 速率常数
• 2.3.2 动力学模式〔机理)函数
• 2.3.3 非等温热分析动力学方法
• 3 纤维素热解实验分析
• 3.1 纤维素的工业分析
• 3.1.1 水分的测定
• 3.1.2 灰分的测定
• 3.1.3 挥发分的测定
• 3.1.4 固定碳的测定
• 3.2 实验设备和功能介绍
• 3.3 纤维素热解分析
• 3.3.1 实验步骤
• 3.3.2 实验数据处理与分析
• 3.4 不同实验条件对纤维素热解的影响
• 3.4.1 不同升温速率对纤维素热解的影响
• 3.4.2 停留时间对纤维素热解的影响
• 3.5 实验误差分析
• 3.5.1 噪声产生因素
• 3.5.2 DTG 曲线的平滑方法
• 3.5.3 DTA 曲线基线漂移分析
• 3.5.4 样品比热容的变化
• 3.6 本章小结
• 4 动力学分析及求解方法比较
• 4.1 引言
• 4.2 几种具有代表性的动力学分析方法计算结果及比较
• 4.2.1 Kissinger 法
• 4.2.2 Coats-Redfern 法
• 4.2.3 Freeman-Carroll 法
• 4.2.4 model-free 法
• 4.3 机理函数f （ α） 或G （ α） 的选择
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 后续工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读硕士学位期间发表的学术论文