基于二次反应最小化的木质素热解机理及其组分间交互作用实验研究

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生物质能是一种以含碳有机物形式存在的重要可再生能源,其热解制油技术的发展具有环境保护和能源效益的双重意义。作为生物质重要组成部分,木质素是一种具有无定型芳香环结构的复杂高聚物,其热解行为能在很大程度上影响生物质的热解过程。现阶段木质素的热解机理研究主要集中在单体或二聚体模型化合物,且在实验过程中存在严重的二次反应。基于此,本文利用金属网反应器,针对木质素热解特性、木质素不同组分交互作用和纤维素与木质素交互作用三个方面开展相关实验研究。
  首先,本文在金属网反应器上全面研究了木质素在不同升温速率下(快速热解:1000K/s和慢速热解:1K/s)的热解特性。研究发现,快速热解促进了固体样品向热解油的转化并显著提高了热解油的分子量,而慢速热解则倾向于生成更多的热解气并促进二次焦炭生成。木质素分解主要发生在375~450℃,温度低于525℃有助于单体物质的生成,此时木质素主要通过醚键及部分C-C键均裂产生自由基分子形成稳定化合物;温度高于525℃时,二聚体化合物含量显著增加。
  其次,应用四氢呋喃将木质素分离为轻质和重质组份,并在金属网反应器上分别开展快速热解实验研究。结果表明,低温下轻质木质素更易转化为热解油,而重质木质素倾向于生成焦炭。后续对比分析结果表明,在热解过程中两组分存在较强的交互作用,促进热解油生成。两组分间的交互作用促进了自由基分子发生脱氢反应,同时促进含C=O结构的自由基分子发生偶联反应形成低聚物,最终导致了热解油中酚类、醇类以及二聚体化合物的相对含量上升以及醛类化合物相对含量的降低。
  最后,在金属网反应器上开展了木质生物质的热解特性研究。结果表明,生物质中纤维素组分是热解油的主要来源,其热解主要产物为左旋葡萄糖、呋喃类、环酮类及其他小分子化合物。木质素组分热解油组分与木质素单独热解相比,含羰基化合物产量增加而二聚体化合物的生成被显著抑制。纤维素和木质素在低温时(325℃)交互作用不明显,温度升高时(450、525℃)出现较强交互作用,生物质的多孔结构促进了挥发分的释放,喷射效应加强,促进热解油生成。
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