化学组成和金属元素对生物质热解的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 杨昌炎 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2006-05-31 |
| 授予单位 | 中国科学院过程工程研究所 |
| 授予地点 | 过程工程研究所 |
| 导师 | 林伟刚 |
| 关键词 | 生物质 分级处理 化学组成 金属元素 热解机理 |
| 学位专业 | 化学工艺 |
| 中文摘要 | 生物质是一种贮量大、CO2零排放、可再生的可持续发展能源。随着化石燃料逐渐枯竭以及燃烧所带来的环境污染问题，生物质能的开发利用日益受到重视。生物质能的转化技术分生物化学转化（如发酵制乙醇）和热化学转化两类，热化学转化包含有燃烧、热解、气化等技术，其中生物质快速热解得到约50～70%产率的液体产品-生物油，具有替代石油的潜力，因而得到广泛研究。 秸秆类生物质快速热解得到的生物油含氧量高、含酸多、热值低，直接影响其利用，如何提高生物油品质和制得清洁燃料是当前生物质能研究的一个重要课题。为了实现生物质高效利用，中国科学院过程工程研究所提出了秸秆汽爆、发酵制乙醇和残渣快速热解制液体燃料的工艺设想。汽爆发酵分级处理会造成生物质化学组成和金属元素的变化，从而影响生物质热解规律，直接影响生物油品质。研究化学组成和金属元素对生物质热解的影响，可为生物质分级处理制取高品质液体燃料工艺寻求理论依据。出于此目的，本文研究了生物质化学组成热解规律，金属元素对生物质及其化学组成的热解过程的作用机理，以及分级处理对生物质热解的影响，得到了一些有应用价值的结论。 1) 生物质喷动流化床热解装置的快速热解试验表明，热解温度是影响生物油产率的决定性因素之一。分级处理的三种秸秆生物油产率在470～500oC达到最大，约为56～58%。三种秸秆生物油的糖类低聚物含量约占30～40%，酸醛类产物约为20～30%。汽爆、发酵分级处理使秸秆内部化学组成改变，直接影响秸秆热解产品的产率和生物油组成。经汽爆发酵处理后，生物油产率略有增加，热解气产率降低，热解焦产率增加，同时生物油的酸含量降低、酚类含量增加，热值由原来的16～17MJ/kg增加到22～24MJ/kg，品质得到提高。 2) TG-FTIR的试验结果表明，秸秆的蒸汽汽爆、固态发酵使得气体产率分别减少约20～30%和30～35%，生物油中羧酸类化合物分别减少近30%和50%，从而印证了喷动床的热解试验结果。由此说明，分级处理与热解结合制液体燃料方法是可以获得优质液体产品的一条合理工艺路线。 3) 金属元素是生物质热解的一个重要影响因素，关系着分级处理影响生物质热解机理的分析。通过浸泡添加金属化合物以及水洗、酸洗脱除离生物质中金属离子的方式，研究了金属元素对生物质热解的影响。研究表明，金属氧化物不影响生物质热解过程，而金属氯化物对纤维素和半纤维素的热解产生影响。金属离子使得生物质热解朝着含C=O官能团产物方向进行，产生了较多的CO2、羟基乙醛、羟基丙酮等低分子化合物；无金属离子作用时热解向形成C-O-C官能团产物的方向进行，产生脱水糖等高分子产物。 4) 生物质化学组成的热解机理直接关系着生物质热解机制的分析。生物质快速热解-色质联用（Py-GC/MS）在线试验表明，纤维素的热解反应是一个竞争反应，即转糖苷生成脱水糖等高分子物的反应和吡喃环断裂生成羟基乙醛、羟基丙酮、乙酸、CO2等低分子物的反应。该竞争反应中金属离子的作用非常明显：无金属离子作用时，纤维素热解以转糖苷作用为主，有金属离子作用时，以吡喃环断裂为主。金属离子影响半纤维素热解的规律与纤维素热解的类似，金属离子还促使半纤维素热解形成糠醛。半纤维素热解产生的乙酸来源于其分子结构上乙酰基，糠醛来源于阿拉伯糖基，糠醛来源于木糖基的歧化。 5) 基于化学组成和金属元素对生物质热解的作用机理研究，提出了生物质快速热解机理和分级处理影响热解过程的模式，为分级处理结合热解制液体燃料方法提供了理论基础。汽爆、发酵分级处理主要是脱除了生物质中大部分半纤维素、部分纤维素，增加了木质素，减少了热解生成乙酸的源头，致使生物油酸含量降低、酚类产物增加、生物油品质提高。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-13 |
| 页码 | 146 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/997]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杨昌炎. 化学组成和金属元素对生物质热解的影响[D]. 过程工程研究所. 中国科学院过程工程研究所. 2006. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
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