基于微波加熱的竹材生物質(zhì)熱解機理及特性研究.pdf

1、本文借助氣相色譜(GC)、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)、FTIR技術(shù)和Py-GC/MS技術(shù)等現(xiàn)代分析技術(shù)手段，開展了微波加熱條件下竹材的熱解動力學(xué)、金屬離子的作用機制以及微波催化反應(yīng)機理與產(chǎn)物調(diào)控機制等方面的研究，以期為我國竹材資源的高效、高附加值綠色綜合利用奠定基礎(chǔ)。
　　本文利用微波熱重分析儀研究了微波加熱條件下竹材的熱解動力學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)，微波熱解沒有出現(xiàn)明顯的“玻璃化轉(zhuǎn)變

2、”現(xiàn)象，且起始熱解溫度低于傳統(tǒng)熱解;微波加熱可降低活化能及頻率因子，對熱解反應(yīng)同時具有促進和抑制作用，同時發(fā)現(xiàn)活化能的降低對反應(yīng)速率的促進作用大于頻率因子的降低對反應(yīng)速率的抑制作用。此外，對微波熱解和傳統(tǒng)熱解進行比較，分析發(fā)現(xiàn)，微波加熱對熱解的促進作用更為顯著，微波熱解得到的氣體產(chǎn)率總是高于傳統(tǒng)熱解，且對熱解揮發(fā)分的二次反應(yīng)以及炭與CO2的氣化反應(yīng)有顯著促進作用。
　　本文在自行設(shè)計的微波生物質(zhì)熱解系統(tǒng)上，考察了微波功率、含水率及

3、顆粒粒徑對物料升溫特性、產(chǎn)物分布及產(chǎn)物特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:隨著微波功率的增加，竹材最高熱解溫度及對應(yīng)的升溫速率逐漸提高，竹材熱解程度加劇。研究發(fā)現(xiàn)，微波熱解得到的氣體產(chǎn)率總是大于液體產(chǎn)率，且顆粒粒徑的減小提高了竹材升溫速率和最高熱解溫度，更有利于不可冷凝氣體的生成;含水率的增加有利于液體產(chǎn)物的生成，且水分促進了竹材熱解反應(yīng)的程度水分參與竹材熱解反應(yīng)的程度加劇。
　　基于金屬離子在生物質(zhì)熱解過程中所起的重要催化作用以及與微

4、波的耦合作用，本文對不同種類的酸洗預(yù)處理方式對竹材礦物元素含量、化學(xué)結(jié)構(gòu)以及熱解特性的影響進行了研究，并據(jù)此考察微波加熱條件下Mg2+、K+、Ca2+和Fe3+對竹材熱解的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，HF預(yù)處理能有效的脫除竹材中的礦物元素，同時對竹材化學(xué)結(jié)構(gòu)的破壞作用最小。Mg2+、K+和Ca2+的存在增加了物料之間的傳熱阻力，降低了物料的升溫速率，且K+和Ca2+都以消耗液體產(chǎn)物為代價增加了固體和氣體產(chǎn)率，并對CO2和H2的生成有促進作用;由

5、于微波熱解過程中部分鐵元素會轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2O3，導(dǎo)致了Fe3+對物料升溫的促進作用;Fe3+對氣體產(chǎn)物生成的促進作用更為顯著，且對CO和H2有較高的選擇性。
　　本文系統(tǒng)地研究了熱解殘?zhí)?、活性炭和石墨對微波熱解竹材特性的影響，并研究了活性炭負載Fe3+催化劑在微波加熱條件下對竹材熱解過程的影響及其催化機理。研究發(fā)現(xiàn)，活性炭對物料的升溫促進作用最弱，但得到的氣體產(chǎn)物最多，兩種微波功率條件下得到的氣體產(chǎn)率在59～68 wt.％之間;活性