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随着化石燃料的日益枯竭,开发新能源以替代化石能源刻不容缓。生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。生物质能的广泛利用不仅能够缓解能源危机,而且生物质能环保无污染,能够实现C02的零排放。
本文以玉米秸秆为原料,在亚/超临界乙醇条件下进行液化。将玉米秸秆划分为水溶性有机物、综纤维素、木质素单组分;利用集总的方法,根据玉米秸秆单组分和全组分在液化过程中产物的物理和化学性质,对原料和产物进行集总规划;根据不同条件对各集总组分的影响,研究各集总之间的转化关系,建立各单组分和全组分在亚/超临界乙醇中的集总反应路径,并根据单组分集总反应路径对玉米秸秆全组分集总反应路径进行修正,建立玉米秸秆在亚/超临界乙醇中的集总反应路径;通过考查液化过程中不同乙醇用量对各集总组分的影响,研究溶剂乙醇对液化过程的影响机理。
本文的主要研究内容与结果如下:
(1)亚/超临界乙醇液化玉米秸秆过程产物和原料集总规划:利用气质联用、红外光谱、元素分析仪对液化过程中的产物进行分析,结合原料和产物的物理化学性质对液化过程中的原料和产物进行集总划分;将液化过程中的原料和产物划分为液化过程中气体(GA)、易挥发物(VO)、轻油(OD)、重油(HO)、固体物(RE)五个集总。
(2)建立了玉米秸秆水溶性有机物液化反应路径:玉米秸秆水溶性提取物在亚/超临界乙醇条件下,主要生成了挥发物、气体、固体物和重油,其中挥发物与固体物之间存在着可逆反应,固体物在亚/超临界乙醇的作用下又可进一步反应转化成挥发物,重油在液化过程中生成较少,在整个反应过程中最高收率为9.46%。
(3)建立了玉米秸秆主成分液化反应路径:综纤维素在液化过程中主要生成轻油、固体物、重油、挥发物、气体;挥发物与重油之间表现出可逆反应,轻油在液化过程中发生二次反应生成了气体。通过在与综纤维素相同条件下液化玉米秸秆主成分并与综纤维素液化组分进行比较分析发现,木质素在液化过程中利行重油和残渣的生成,不利于液化生成气体、轻油、挥发物。
(4)建立了玉米秸秆全组分液化反应路径:在反应温度到达180℃以前主要是玉米秸秆水溶性有机物液化生成气体、挥发物和少量重油,三种主成分在反应温度达到180℃以后开始反应,生成气体、轻油、大量挥发物和重油。重油二次反应明显,与挥发物之间表现出可逆反应,轻油在反应过程中主要生成了气体。
(5)以玉米秸秆综纤维素反应为例初步建立了超临界乙醇溶液中液化反应动力学模型:根据反应产物与反应温度、时间和产物分布,求取了反应动力学速度常数、反应活化能及指前因子;并将模型计算结果与实验结果进行对比,其模拟计算结果与实验结果比较吻合。
(6)确定了乙醇在液化过程中的作用:在液化过程中乙醇主要起到传热作用、溶剂作用、提供自由基的作用。