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金属盐催化微波热解生物质动力学特性研究(附件)【字数:8817】

2024-01-25 14:56编辑: www.51jrft.com51今日论文网
本实验采用TGA热重分析仪对稻壳样品进行热重分析,研究金属盐催化微波热解生物质动力学特性。在升温速率为50 ℃/min的情况下对添加样品质量比为5%、10%、20%的KCl、CaCl2、NaCl进行热解实验,分析反应速率与金属盐浓度之间的关系,以及不同金属盐浓度对应的热解动力学参数。实验结果发现,一定浓度的金属盐对生物质热解具有催化作用,金属盐浓度的增加可以增加热解反应速率,加快反应速度,提高热解产物产量。毕业设计说明书(论文)外文
目 录
1 绪论 1
1.1 生物质能及开发生物质能的优点 1
1.2 生物质热解机理和反应动力学 2
1.3 生物质热解动力学研究的意义和现状 2
1.4 实验要求与目的 3
2 金属盐催化微波热解生物质动力学特性研究的实验研究 3
2.1 原材料 3
2.2 实验样品的预处理 4
2.3 实验装置和方法 6
2.4 热解动力学参数计算 6
2.5 金属盐催化生物质热解过程分析 8
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 绪论
随着经济全球化的快速发展,环境污染问题日益严重,传统能源的储量也在快速减少。根据预测,地球上蕴藏的可供开采利用的石油和煤等化石资源将分别在30~40年和200年以内枯竭。然而天然气按照储采比也只能用60年[1]。生物质能源以可再生清洁能源的身份出现在公众的视野中。生物质利用技术是多样的,可以归结为:物理转化技术、化学转化技术和生化转化技术。而化学转换技术包括高温干馏制取木炭技术以及生物质热裂解气化、液化[2]等。生物质热解是指在无氧或缺氧条件下热解生物质的过程,从而形成炭,生物油和可燃气体[3],是一种生物质能的有效利用途径,生物质热解或气化产生的炭可以是用于吸附重金属或有机污染物[410]。生物质中普遍含有一定量的金属元素[11],金属元素以生物质中的金属盐或氧化物的形式存在,生物质的内部结构会随着金属盐而产生变化,影响热解过程和产物产量。热解动力学研究过程参数与原料转化率之间关系的方法,通过动力学分析,反应过程和机理可被深入认识, *51今日免费论文网|www.51jrft.com +Q: *351916072
反应速度和难度水平可被预测,为生物质热化学转化过程的研究和开发提供重要的基础数据[12]。热重分析(TGA)是一种用于在程序控制温度时测量不同温度下样品重量损失的分析方法,已被广泛的应用于生物质热解动力学的描述[1316]。因此,采用热重分析仪研究金属对生物质微波热解动力学特性研究,有利于深入了解生物质的热解行为,为生物质热解机理的研究奠定一定的理论基础。
1.1 生物质能及开发生物质能的优点
生物质是指任何动植物有机体。储藏在生物质中的能量为生物质能。有代表性的生物质有农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物以及动物粪便等。
开发生物质能具有以下优点:
① 可再生性:生物质能是绿色植物通过光合作用储存在生物质体内的能量。与海洋能、地热能类似,都属于一次能源中的可再生能源。但是,对生物质能的开采也要适度,否则也会导致生物质能资源的枯竭。
② 清洁、低碳:生物质能中有害物质少,是绿色植物通过光合作用将二氧化碳和水合成,生物质在利用的过程中会排放出二氧化碳和水,吸收与排放的二氧化碳都来自大气层中的,从而保证了大气层中二氧化碳的动态平衡,减轻温室效应。
③ 原料丰富:农作物秸秆资源丰富,随着经济的迅速发展,城市生活垃圾迅速增加。
1.2 生物质热解机理和反应动力学
生物质热裂解的产物是炭、生物油及可燃气体[17],生物质热裂解是生物质能利用的有效途径。生物质微波热解时,生物质中的一些金属元素会与微波产生耦合效应,产生“热点”[18]。热点的温度会比所测的平均温度高很多,因此,金属离子在微波热解条件下会产生区别于常规加热的热解条件。微波加热处理各种材料,如生物质[19],煤炭[20]或废油[21]。材料的加热发生在微波辐射被碳颗粒吸收时,并且该能量通过偶极子重新定向(极化)和离子传导转化为热能[22]。这些机制在碳颗粒内产生热量。在热裂解反应过程中,会发生一系列的化学变化和物理变化,前者包括一系列复杂的化学反应(一级、二级);后者包括热量传递和物质传递。生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三种物质组成。生物质的三种主要组成物质经常被假设独立的进行热分解,半纤维素的主要分解温度225350℃,纤维素的主要分解温度325375℃,木质素的主要分解温度250500℃。半纤维素和纤维素主要产生挥发分,而木质素主要分解固定炭。用热解动力学来描述热解过程参数对生物质原料转化率的影响,活化能和频率因子等可以通过动力学参数计算出来[23]。热重法(TG)是在程序控制温度下,测量物质质量和温度关系的技术[24]。热重法主要应用在物质的热分解过程和热解机理、高聚物的热氧化降解和反应动力学等方面。微商热重法(DTG)是热重曲线对温度(℃)或时间(T)进行一阶微分。
1.3 生物质热解动力学研究的意义和现状
生物质热解对生物质的燃烧、液化和气化有着非常重要的意义,但是,其过程非常复杂,影响因素众多,热解的初始产物也会有二次反应的可能。通过研究反应机理来认识热解过程很困难。利用热重法分析生物质热解过程比较简单、快捷、方便。通过对热重曲线进行分析,可以了解生物质随时间变化规律,进而对热解动力学参数进行评价。开发对生物质热解过程有快速催化作用的催化剂成为我们最先解决的问题,提高产物产率,降低操作费用,提高生物质能与煤炭、石油等化石能源的竞争力。在已经被开发的众多催化剂中,最有应用前景的是碱性催化剂如Na2CO3、K2CO3、NaOH等,但其作用机理还没有一致的认识[2528]。近20年来,世界各国对纤维素、木质素及木材等生物质的热裂解特性及反应动力学进行了大量的研究。由于采用模型不同,加热速率及原料不同,使得动力学热解参数比较离散,世界上还不存在一个被普遍认可的理论。生物质快速热解技术在欧美等一些国家比较成熟,热解设备已经实现了工业化与商业化,加拿大的热解技术更加成熟,已经达到了百分百利用率。我国的生物质热解技术起步比较晚,技术不够成熟,与欧美发达国家相比差距很大。近几年,我国许多高校和机构加强了对生物质热解技术的研究。

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