纤维素生物质热解特性及其BP神经网络预测研究

利用化学方法测量纤维素生物质稻杆、棉杆及松木屑的纤维素及木质素含量,并通过热重法分析纤维素含量对热解特性的影响规律.利用Malek法得到最概然机理函数,得出生物质热解过程需分为两个阶段分别建立动力学模型,前一阶段为D1模型,后一阶段为F1模型,最终求得较为合理的反应活化能及指前因子.实验结果得出,纤维素含量越大,热解速...     

不同混合比催化剂对生物质热解特性的影响

基于更加深入的了解生物质催化热解行为,对稻秆进行脱灰预处理(水洗和酸洗),分析灰成分中金属元素在热解过程的作用,同时尝试将K2CO3与白云石进行不同比例掺混,添加到酸洗样中,研究不同混合比催化剂对生物质热解的影响规律。试验结果表明,脱灰预处理在一定程度上阻碍了生物质的热解,水洗样在300℃附近出现肩状峰,即对生物质三组分结构上产生一些影响;而添加金属盐对生物质热解有一定促进作用,其中添加7%K2CO3试样在650℃附近热解焦产率最低,添加白云石试样在720℃以后表现出催化作用且最大失重速率随白云石比例增加而增大,当K2CO3与白云石混合比例为7∶3时,生物质热解速率最大为-0.004 5/s,且热解焦产率最小,表现出更好的催化活性。     

生物质组分热裂解动力学研究

为了更加深刻地了解生物质的热裂解机理，应用范氏组分分析法测定生物质各组分的质量分数，并对组分分离后的残渣进行热重分析，以得出组分在生物质热裂解中所起的作用.实验发现脂肪、蛋白质等萃取物热裂解行为类似于木质素，但反应速率较高.所有生物质中的纤维素热裂解行为表现一致，但不同生物质中的木质素因物理化学结构很不一致而导致了热裂解行为的差异，在动力学研究中不能使用木质素质量分数较大的样品替代其他种类生物质的木质素进行热裂解行为研究.     

木质素的分离提取与高值化应用研究进展

木质素结构的复杂性和多样性及其与纤维素、半纤维素交织在一起所构成的天然抗降解屏障,致使其分离提取困难.传统的以获取纤维素为主的分离过程导致木质素降解或缩合,因而化学结构更复杂、反应活性较低,影响其转化和高值化利用.在保持木质素原有结构的前提下,实现木质素与纤维素和半纤维素的高效分离是当前生物质精炼领域的研究热点.综述了...     

新鲜生物质热解气化半焦特性的XRD研究

为了更全面地研究新鲜生物质的热解气化过程，对2种新鲜生物质不同热解气化条件下的半焦特性进行了研究．采用X-射线衍射（XRD）法分别考察了温度、催化剂和水分对生物质热解气化半焦微晶结构的影响．实验结果表明，生物质及其热解残炭中存在类似晶体的微晶；随着热解气化温度的升高，微晶层片直径逐渐增大；加入不同催化剂热解气化后的生物质半焦微晶变小，不同催化荆对微晶结构参数影响方式不同；水分增大也使生物质热解后半焦的微晶变小．随着生物质热解气化的深入，生物质逐渐脱除了非碳原子，其结构趋于有序化；催化剂的加入和生物质中的水分对生物质的热解气化有利．     

东北电力大学生物质清洁转化与高值化利用工程研究中心 简介

<正>"东北电力大学生物质清洁转化与高值化利用工程研究中心"针对农林生物质存在转化效率低、环境污染重、产品功能性差等国际性难题,以生物质组分清洁分离与高效转化为目标,构建农林生物质如何通过绿色手段(无废水、废渣、转化温度低于80℃)分离为纤维素、半纤维素、木质素及其平台化合物、生物基材料及绿色化学品的高效合成与转化、废弃生物质热化学转化与资源化的共性应用基础研究平台。中心的研究     

木质素快速热裂解试验研究

在红外辐射加热反应器中对生物质的主要组分木质素进行了热裂解试验研究，分析了木质素热裂解产物的产量随温度的变化规律。试验结果表明，在350～800 ℃，焦炭产量随温度升高而降低，最后趋近质量分数稳定值约为26%；焦油产量随温度升高而增大，在550 ℃出现质量分数为27%的最大产量，温度进一步升高，部分挥发分的二次裂解使焦油产量降低而轻质气体产量大大增加；气体产物主要有H2、CO、CO2、CH4以及CnHm，其产量随着温度的升高都呈增长趋势。结合木质素热裂解焦油的色谱傅立叶红外光谱（GC-FTIR）分析，发现焦油中主要是含有甲氧基、烷基、羟基等官能团的苯酚和酸、酮类化合物，甲酸和乙酸随着温度升高二次裂解加剧导致产量降低。对比纤维素热裂解试验结果可以发现，纤维素对焦油的生成贡献最大，而木质素热裂解主要是生成轻质气体和焦炭。     

预测生物质热解动力学参数的随机森林模型

基于大量已发表的生物质热解实验数据,采用数值方法拟合全局反应热解模型的动力学参数,建立生物质热解的训练和验证数据库,并利用随机森林算法研究生物质热解动力学参数与生物质种类和加热条件之间的非线性关系,发展预测生物质热解动力学参数的随机森林模型.训练和验证的结果显示:随机森林模型能够较好地预测训练数据库中的生物质热解的动力学参数(R20.92),并能够准确预测验证数据库中的多种生物质的热解过程(R20.93).此外,变量重要性分析结果显示:纤维素质量分数对于反应级数和活化能影响较大,木质素对于反应级数的影响最大.加热条件对于活化能的影响可以忽略,但是对指前因子和反应级数的影响显著.     

预测生物质热解动力学参数的随机森林模型

基于大量已发表的生物质热解实验数据,采用数值方法拟合全局反应热解模型的动力学参数,建立生物质热解的训练和验证数据库,并利用随机森林算法研究生物质热解动力学参数与生物质种类和加热条件之间的非线性关系,发展预测生物质热解动力学参数的随机森林模型.训练和验证的结果显示:随机森林模型能够较好地预测训练数据库中的生物质热解的动力学参数(R20.92),并能够准确预测验证数据库中的多种生物质的热解过程(R20.93).此外,变量重要性分析结果显示:纤维素质量分数对于反应级数和活化能影响较大,木质素对于反应级数的影响最大.加热条件对于活化能的影响可以忽略,但是对指前因子和反应级数的影响显著.     

预测生物质热解动力学参数的随机森林模型

基于大量已发表的生物质热解实验数据,采用数值方法拟合全局反应热解模型的动力学参数,建立生物质热解的训练和验证数据库,并利用随机森林算法研究生物质热解动力学参数与生物质种类和加热条件之间的非线性关系,发展预测生物质热解动力学参数的随机森林模型. 训练和验证的结果显示：随机森林模型能够较好地预测训练数据库中的生物质热解的动力学参数(R²>0.92),并能够准确预测验证数据库中的多种生物质的热解过程(R²>0.93). 此外,变量重要性分析结果显示：纤维素质量分数对于反应级数和活化能影响较大,木质素对于反应级数的影响最大. 加热条件对于活化能的影响可以忽略,但是对指前因子和反应级数的影响显著.     

生物质的多组分热裂解动力学模型

热重试验结果表明组分不同的生物质的差分失重曲线存在明显差异,用传统的单组分热裂解动力学模型不能解释此现象,结合生物质的组分建立相关的动力学模型来阐述这种差异.花梨木由于其较高的半纤维素质量分数使得纤维素和半纤维素的热失重峰出现明显分离,导致其差分失重曲线在到达失重率最大值前存在一个明显的"肩状峰", 而水曲柳和杉木的半纤维素质量分数相对较低使得差分失重曲线较为光滑.基于生物质的组分独立热分解的假设建立了多组分反应动力学模型,并依据花梨木的试验数据得到了优化后的纤维素、半纤维素和木质素的热裂解动力学参数.利用该模型对杉木和水曲柳的热失重行为进行模拟,得到了与试验结果较为吻合的计算结果.     

三种生物质的热解动力学研究

为进一步研究生物质的热解动力学,在氮气气氛和不同的加热速率下对马尾松、棉杆和杉木试样进行了热分析实验.结果表明,由于生物质中矿物质对热解的催化作用,灰分含量越高,热解温区越低;用占生物质质量约10%的碳酸钠对生物质进行处理后,其热解温区也明显降低;用Ozawa-Flynn-Wall法计算的活化能随转化率的增加而增加,这是由于生物质中不同成分如半纤维素与纤维素等的热解特性不同所致;联合运用Satava法和Ozawa-Flynn-Wall法确定了低温区和高温区热解的最佳机理函数,发现Avrami-Ero-feev方程、Jander方程和Zhuralev,Lesokin and Tempelmen(Z-L-T)方程分别可以用来很好地描述不同温区的热解过程.热解机理是随机成核和随后生长或三维扩散.除了高温催化段以外,在其他温区用两种方法计算的活化能均很接近.     

玉米秸秆和聚丙烯共催化热解试验

采用管式炉试验装置研究温度对聚丙烯催化热解、不同聚丙烯与玉米秸秆质量比对热解产物和催化剂结焦的影响.结果表明:在聚丙烯单独催化热解温度为550℃时,热解油产率最大、残渣率为0,产物主要为烯烃和芳香烃.HZSM-5使得汽油馏分增加,产物轻质化,当温度为600℃时,汽油馏分(C6~C12)质量分数达到93%~39%,不同温度下催化剂结焦率均小于1%.聚丙烯和玉米秸秆共催化时存在协同作用,热解产物以质量比1∶1为分界点,质量比大于1∶1,具有烃类产物分布,当质量比小于1∶1时,热解产物为含氧有机物,催化剂结焦量与原料的有效氢碳比具有负相关关系.当共催化质量比为1∶1时,热解油有害组分仅6.49%,烃类产率达71.7%,催化剂结焦率为1.92%.     

瓜子皮、茶叶、树叶和核桃壳的水热炭化产物及机理

以瓜子皮、茶叶、树叶、核桃壳为原材料,利用高温高压反应釜对195℃、停留时间为4h下4种不同生物质水热炭化后固液相产物进行对比分析以及作用机理探讨。研究表明:水热炭化过程使含碳量提高了6%~10%,物料的热值提高了10%~20%,能量产量也提高了15%~21%,同时也提高了固相物质的热稳定性;扫描电镜显示水热炭化产物表面出现大量的微球结构。红外光谱分析固液相产物以及液相产物中呈现较高的COD和TOC,表明水热炭化过程使纤维素和半纤维素发生了降解溶出,转化为葡萄糖以及有机酸等物质,而木质素未发生明显的变化。     

基于RBF神经网络生物质半焦产量的预测

生物质能作为一种可再生的清洁能源,开发利用前景广阔,热解反应是生物质热化学转化中的关键环节.本文分析了糠醛渣和稻壳共热解过程中影响半焦产量的各因素,根据三个主要因素,建立RBF神经网络模型,并应用此模型对半焦产量进行预测.其中,模拟结果的偏差一部分来源于网络和学习样本及影响因子的选取,更多的来源于实验数据.通过误差分析,本文建立的模型具有较好的精度,证明了RBF网络应用于热重分析仪中生物质热解领域的可行性.     

生物质高温气流床分级气化特性

为了满足生物质间接液化中对合成气组成的要求,特别是H2与CO体积比要达到1.0~2.0,采用生物质低温热解炉结合高温气流床的生物质分级气化系统,研究气流床分级气化方式对生物质气化合成气的影响.针对温度、一次气化时间等因素,研究合成气组分、H2与CO体积比、碳转化率、气化效率以及焦油质量浓度等方面的变化情况.结果表明,生物质分级气化和温度的升高均能够提高H2与CO体积比.生物质分级气化系统的最佳工况是一次气化时间为0.6s,当气化温度为1 100℃时,此时气化效果最好,气化效率达到75%,H2与CO体积比可达1.22,碳转化率达到96.3%.分级气化合成气中焦油质量浓度比传统气化明显减少,从5.46g/m3降低到了50mg/m3.     

反应条件对生物质水热碳化过程中碳固存特性的影响

以麦秆、草坪草和梧桐树叶为原料,采用小型水热碳化实验系统,考察了温度(160~240℃)、停留时间(30~180min)和液固比(10~50)对3种生物质水热碳化产物碳固存率的影响规律,并结合X射线衍射(XRD)图谱,研究了3种生物质水热碳化固体产物的碳化特性。研究发现,温度对生物质水热碳化碳固存率有较大影响,若以固存碳为目的,则草坪草、麦秆和梧桐树叶的水热碳化温度宜分别选择200℃、220℃和240℃左右。停留时间和液固比对生物质水热碳化碳固存率的影响相对较小,若以研究水热碳化反应机制为目的,则3种生物质水热碳化停留时间均不宜超过120min,液固比不超过30。在水热碳化过程中3种生物质样品的固存碳率有所差异,草坪草、麦秆和梧桐树叶水热碳化固体产物的固碳能力依次增加,且麦秆和梧桐树叶水热碳化固体产物中部分碳已石墨化。     

纤维素与木质素共热解对轻质产物形成的影响

采用居里点裂解反应器进行纤维素、木质素及不同混比样品(30%、50%和70%)的热解实验,利用在线气相色谱对CO、CO₂和C₁～C₅烃等轻质产物产率进行了定量分析和理论预测.结果显示：两者共热解对轻质产物的形成存在明显的相互作用,能够有效促进CO、CO₂和C₁～C₅烃的形成,而共热解对残渣形成的影响与混合比例具有较强的相关性;木质素单独热解所得CO和CO₂产率(4.03%和1.07%)高于纤维素单独热解所得CO和CO₂产率(3.23%和0.67%),两者共热解有效促进了CO和CO₂的形成,且在纤维素与木质素等比例混合(50%cel)共热解时获得最高产率(4.63%和1.25%);C₁～C₅烃总产率则随纤维素质量分数的增加而不断降低.     

生物质秸秆热解反应及动力学分析

为了对生物质热解设备进行分析和计算,用热重分析仪分别对稻草和玉米秸秆在不同升温速率下进行了热分析研究。结果表明:稻草和玉米秸秆的热解特性基本一致,热解过程可以用同一种模型描述;随升温速率的提高,热解最高速率及其对应温度明显提高。氮气气氛下第一阶段的热解较滞后,空气气氛下DTG失重峰均有提前。并利用Coats-Redfern法计算得到了稻草和玉米秸秆在不同升温速率下的反应动力学参数,为进一步研究生物质的实际热解过程提供了基本的理论依据。     

生物质化学制氢技术研究进展

可再生生物质制氢是未来氢能的主要来源,涉及到化学制氢和生物制氢.生物质化学制氢技术包括生物质气化、热解、超临界转化等常规热化学法制氢和生物质解聚液相产物的蒸汽重整、水相重整、自热重整和光催化重整制氢等技术.对以上生物质制氢方法进行了综述,对反应条件、反应机理、催化剂使用、技术经济性及各自存在的优缺点进行分类整理与比较.认为生物质气化制氢及热解制氢技术的发展较成熟,可以实现规模化生产,但是制氢的选择性和产氢率不高;生物质液相产物催化重整制氢技术更适合较大规模的集中制氢,转化率和产氢率高,但技术途径复杂.对生物质制氢技术进行了展望.