论文摘要
本文以杨木（Populus L.）为原料，采用酸解法和硝酸-乙醇法分离制备得到酸不溶木质素和纤维素，利用热重分析技术研究其热解反应特性和动力学，利用热重-红外联用分析仪与固定床热解炉对杨木热裂解三相产物（炭、可燃气、液体）组成及变化特性进行了研究。主要研究内容如下：（1）利用热重分析手段，分别对杨木、酸不溶木质素和硝酸-乙醇纤维素三种物质的热解规律进行研究。结果表明：杨木、酸不溶木质素和硝酸-乙醇纤维素的失重过程分为干燥、热解和炭化阶段。随着升温速率增大，热解的反应速率随之增大，热重曲线最大失重峰向高温区移动。三种原料的干燥阶段主要发生在100℃左右。杨木的热解阶段主要发生在200-500℃，最大失重温度为350-390℃，失重速率介于9-43%/min。酸不溶木质素的热解温度范围广（250℃开始出现失重），最大失重温度约365-416℃，失重速率介于3.73-19.24%/min。硝酸-乙醇纤维素热解温度范围最窄，最大失重温度约为350-450℃，失重速率介于24.21-86.27%/min。采用Kissinger法、Flynn-Wall-Ozawa法和atava-esták法分别研究三种物质的热解反应活化能，研究表明：对于杨木和酸不溶木质素，Kissinger法计算出的活化能略低于Flynn-Wall-Ozawa法和atava-esták法。但是Kissinger法计算杨木及硝酸-乙醇纤维素的拟合程度优于Flynn-Wall-Ozawa和atava-esták法。其中，Flynn-Wall-Ozawa法计算得出三种物质的活化能与转化率关系曲线，表明：随着转化率增加，杨木和硝酸-乙醇纤维素的活化能呈上下浮动变化，酸不溶木质素的活化能则是先平缓后骤然上升。（2）利用热重-红外联用（TG-FTIR）分析手段，研究了20℃/min升温速率下杨木在热解及燃烧过程中挥发性组分的释放规律。结果表明：在N2/空气氛围下，挥发分的红外谱图变化趋势与TG/DTG曲线一一对应。在N2氛围下，大部分热解气体主要集中在200-450℃范围内产生。气体成分主要有CO2、CO、CH4、酚类和其他烷烃。在空气氛围下，挥发分气体的生成主要集中在200-550℃区间。该过程可以分成两个阶段，第一个阶段为初期热解，第二个阶段为燃烧阶段。前期以生成CO、CH4、醚类、芳香族类等为主，后期以纤维素裂解产物、木质素裂解产物和木炭的燃烧为主，表现在红外图谱上CO2的强吸收峰。（3）利用实验室自制的固定床反应器对速生杨木的热解进行了研究：通过改变升温速率（5-30℃/min）、热解最终温度（400-700℃）及原料粒径（0.125-0.850mm），考察对热解可燃气成分及性质的影响，对固体产物孔隙结构、表观结构的影响，以及对液体产物基本性质的影响。结果表明：杨木热解气体绝大部分以CO2、H2、CH4和CO为主（约占气体的80-90%）。同时含有少量的C2H6、C2H4、C3H8、C3H6等轻质碳烃化合物(约占气体的1-3%)。在相同条件下，热解速率越快，比表面积呈先上升后下降的趋势。随着热解温度升高，杨木热解的反应程度更彻底，炭化料的挥发分逐渐减少、固定碳升高，炭的比表面积逐渐增大。随着粒径增大，物料粒径为0.250-0.425mm所制得的炭比表面积达到最大。杨木热解产生的气体热值在9-11MJ/Nm3，固体炭比表面积200-550m2/g，液体产物水分含量达76.51%，pH值为2.0-3.5之间，运动粘度为1.24mm2/s。液体经脱水后的含碳量在50-70%之间，氢元素在6-7%之间。