简析干燥干燥和烘焙预处理制备高品质生物质原料基础结论

论文导读：
摘要：生物质资源总量巨大,但品质较低。生物质原料中过多的水分往往会延迟热解反应、增多供热成本和破坏热解液化产物的稳定性。此外,生物质还具有亲水性强、氧含量高、能量密度低、不易储存且产地分散等缺点,造成其在运输、储存从及作为能源使用的成本偏高,进而限制了生物质使用技术的进一步进展。基于此背景,本论文开展了通过干燥和烘焙预处理制备高品质生物质热解原料的探讨,体系分析了生物质干燥历程的传热传质机理,提出了测定有效水分扩散系数的简便办法,揭示了烘焙三种产物理化特性的变化规律,明确了干燥和烘焙预处理对生物质热解转化的影响。(1)生物质等温和非等温干燥的传热传质机理探讨生物质干燥是一个复杂的传热传质历程。在等温条件下,生物质干燥历程可分为升速干燥段、第一降速干燥段和第二降速干燥段,水分与物料结合力的不同是导致出现不同干燥阶段的主要理由。提升干燥温度和减小颗粒粒径有助于提升干燥速率,降低最终含水量。干燥动力学分析表明,Midilp模型对秸秆等温干燥的模拟效果最好,而非等温Page模型能很好地模拟木屑、稻壳和棉花秆的非等温干燥历程。传热传质有紧密的内在关系,干流由水分蒸发热流、未蒸发水分热容热流、干秸秆热容热流三部分叠加而成,其中水分蒸发热流是主要部分。干燥吸热主要用于水分的扩散和蒸发。干燥需热量模拟值与实验值吻合较好,表明了干燥动力学分析从及热流模拟的可靠性。(2)生物质有效水分扩散系数测定办法的探讨提出了基于热重分析的等温两步法和非等温一步法,从准确快速测定生物质颗粒的水分扩散系数(Deff)。在等温两步法中,使用Fick扩散定律可从得到Deff,再通过ln(Defff)和1/(T+273.15)的联系可从计算干燥活化能。本办法对样品需求量少、实验简单、计算简便,基本上克服了等温条件难从实现的困难。为了尽可能减少热滞后现象从得到更准确的计算结果,本论文对上面陈述的等温两步法进行了几点改善,排除了由表面汽化所制约的短暂的升速干燥段,从内部扩散占主导的降速干燥段计算Deff。花生壳的干燥结果表明,改善的等温两步法的计算结果更加可靠。由于升速干燥段对比短暂,对整个干燥历程的影响较小,改善前后的等温两步法的计算结果对比接近。在非等温一步法中,由于TGA能够精确进行温度制约,生物质的热滞后显现基本得从消除。在升温速率2-8℃/min时,非等温的结算结果包含于等温两步法的计算结果(30和100℃)内。非等温一步法用料需求低、试验次数少,降低了热滞后效应,计算结果稳定可靠,是一种较好的测定生物质干燥参数的办法。(3)烘焙预处理改性提质生物质原料的探讨烘焙是一种在常压、隔绝氧气的状况下,反应温度介于200～300℃之间的慢速热解历程。本论文对生物质烘焙的实验办法进行了改善,明确了烘焙时间,确保了生物质样品的理化特性变化从及挥发分析出都在设定的烘焙温度下进行。稻壳经过烘焙预处理后,纤维结构遭到破坏,体积逐渐缩小,研磨性能得到改进,疏水性显著增强,在260℃中温烘焙可获得平均孔径最小、比表面积最大的较好孔结构的固体产物。随着烘焙温度的提升,挥发分含量逐渐减少,而灰分和固定碳含量大幅上升。硫元素和氮元素在烘焙中基本保持不变,氢元素含量少许下降,碳元素含量逐渐升高,氧元素含量大量减少。能量得率与固体得率具有相似的变化走势,都随着烘焙温度的升高和烘焙时间的增多而降低。半纤维素在烘焙中大量分解,纤维素含量变化不大,而木质素的含量大幅上升。TG-FTIR分析表明,半纤维素的大量分解是稻壳理化特性变化的主要理由。随着几点含氧官能团的断裂和脱出,固体产物的有机官能团逐渐简化；液体产物含有大量的水分和少量的乙酸；烘焙气体产物有CO2和CO组成。(4)干燥和烘焙预处理对生物质热解影响的探讨生物质热解历程可从分为干燥、主脱挥发分和缓慢脱挥发分三个阶段。DTG曲线中有三个不同的峰,第一个是失水峰,第二个是半纤维素热解形成的肩状侧峰,第三个是由纤维素热解形成的热解主峰。干燥预处理提升了秸秆整体热解速率和挥发分产率,同时也提升了生物油的热值,降低了生物油中的水分含量。Py-GC/MS分析表明,水分对稻壳热解产物的种类和生成途径没有多少影响。水分的有着,相对减少了生物质原料中有机组分的含量,使得热解产物中的化学品含量相对减少。稻壳经中高温烘焙(260℃和290℃)后,半纤维素大量分解,热解论文导读：
失重肩峰消失。随着烘焙温度的升高,生物油中水分显著减少、热值逐渐增多,酸性也有不同程度的降低。这有助于生物油的储存和高值化使用。烘焙历程推动了不可冷凝气和焦炭的生成,在中低温(小于260℃)烘焙时,液体(生物油和烘焙液)仍然是主要产物,而在高温(290℃)烘焙时,不可冷凝气是主要产物。Py-GC/MS表明,烘焙对快速热解产物种类没有影响,但提升了木质素热解产物中酚类物质的含量。关键词：生物质论文干燥论文传热传质论文热重分析论文快速热解论文干燥动力学论文生物油论文烘焙论文理化特性论文固体产率论文能量产率论文有效水分扩散系数论文
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ABSTRACT7-10
目录10-16
第1章 绪论16-42

1.1 探讨背景及作用16-24

1.1 我国能源形势16-17

1.2 国外生物质资源使用近况17-19

1.3 我国生物质进展近况19-21

1.4 生物质热解使用21-23

1.5 生物质干燥和烘焙预处理23-24

1.2 国内外探讨发展综述24-30

1.2.1 固体干燥技术概述24-25

1.2.2 生物质干燥机理25-26

1.2.3 生物质干燥动力学26-27

1.2.4 生物质烘焙产物的理化特性27-29

1.2.5 烘焙对生物质热化学转化的影响29-30

1.3 探讨案例与技术路线30-31

1.4 探讨内容31-33

参考文献33-42
第2章 生物质等温干燥机理探讨42-70

2.1 引言42-43

2.2 论述背景和数据分析43-45

2.1 生物质水分的有着形式43

2.2 含湿量的表示办法43-44

2.3 干燥历程中的传热和传质44

2.4 表面汽化制约和内部扩散制约44-45

2.5 平衡含湿量45

2.6 含湿比45

2.3 基于烘箱干燥的生物质干燥特性探讨45-50

2.3.1 实验原料45-46

2.3.2 实验条件46

2.3.3 等温干燥曲线及分析46-47

2.3.4 温度和初含水量对干燥速率的影响47-48

2.3.5 颗粒粒径对干燥速率的影响48

2.3.6 生物质组分对干燥历程的影响48-50

2.4 基于热重分析的生物质干燥特性50-56

2.4.1 实验原料50

2.4.2 实验仪器和办法50

2.4.3 水分传输特性50-54

2.4.4 热量传输特性54-56

2.5 生物质干燥动力学探讨56-62

2.5.1 干燥动力学起源56-60

2.5.2 干燥模型的数学评价60

2.5.3 秸秆干燥动力学分析60-62

2.6 传热传质的数值模拟62-65

2.6.1 热量传输的数值模拟62-63

2.6.2 秸秆比热容测定63

2.6.3 秸秆热流数值模拟63-65

2.7 本章小结65-66

参考文献66-70
第3章 等温两步法测定有效水分扩散系数70-86

3.1 引言70-71

3.2 实验部分71

3.3 干燥动力学分析71

3.4 等温两步法的数学形式71-72

3.5 结果与讨论72-78

3.5.1 等温条件评价72-73

3.5.2 水分传输特性73-74

3.5.3 有效扩散系数和干燥活化能74-75

3.5.4 干燥动力学分析75-77

3.5.5 计算结果的评价77-78

3.6 改善的等温两步法78-82

3.6.1 实验部分78-79

3.6.2 等温条件评价79

3.6.3 内部扩散评价79-81

3.6.4 对改善等温两步法的评价81-82

3.7 本章小结82-83

参考文献83-86
第4章 生物质非等温干燥机理探讨86-100

4.1 引言86-87

4.2 实验部分87

4.

2.1 实验原料87

4.

2.2 实验仪器和办法87

4.3 热重曲线分析87-89

4.4 非等温干燥动力学分析89-92

4.1 计算办法89-91

4.2 干燥活化能的物理作用91-92

4.5 热质传输机理92-94

4.5.1 水分传输分析92

4.5.2 热量传输分析92-94

4.6 传热传质的数值模拟94-96

4.7 本章小结96-97

参考文献97-100
第5章 非等温一步法测定有效水分扩散系数100-110
5.1 引言10论文导读：探讨160-1709.1引言1609.2实验部分160-1619.2.1实验原料1609.2.2TG-FTIR实验1609.2.y-GC/MS实验160-1619.2.4小型装置上的热解实验1619.3基于TG-FTTR的烘焙对稻壳热解影响的探讨161-1649.3.1烘焙固体产物的热解特性161-1629.3.2热解气态产物的生成特性162-1649.4基于小型热解装置的热解液体产物分析164-1659.5基
0

5.2 实验部分100-101

5.3 非等温一步法的数学形式101-102

5.4 结果与讨论102-107

5.5 本章小结107

参考文献107-110
第6章 干燥预处理对生物质热解影响的探讨110-132

6.1 引言110

6.2 实验部分110-111

6.

2.1 原料110

6.

2.2 热解实验110-111

6.

2.3 组分和结构分析111

6.3 基于热重分析的秸秆干燥前后热解特性探讨111-118
6.

3.1 AS-8试样的热解特性111-112

6.

3.2 DS-1试样的热解特性112-113

6.

3.3 WS-16试样的热解特性113

6.

3.4 干燥对秸秆热解TG和DTG曲线的影响113-115

6.

3.5 干燥对生物质组成和结构的影响115-116

6.

3.6 热解动力学116-118

6.4 干燥对稻壳热解特性和热解产物影响的探讨118-128
6.

4.1 实验部分118

6.

4.2 小型热解装置118-119

6.

4.3 Py-GC/MS实验119-120

6.

4.4 干燥前后稻壳热解特性分析120-123

6.

4.5 干燥前后稻壳组分和结构的变化123-124

6.

4.6 热解反应动力学124-125

6.

4.7 小型装置热解产物的分析125

6.

4.8 稻壳快速热解产物的分析125-128

6.5 本章小结128-129
参考文献129-132
第7章 生物质烘焙预处理改性提质探讨132-146

7.1 引言132-133

7.2 实验部分133-136

7.

2.1 实验原料133-134

7.

2.2 烘焙实验办法134

7.

2.3 样品标号134-135

7.

2.4 实验重复性和可靠性135

7.

2.5 理化性质分析135-136

7.3 烘焙对稻壳化学组成的影响136-137

7.4 烘焙对稻壳组分含量的影响137-138

7.5 烘焙对稻壳固体产率和能量产率的影响138-139

7.6 烘焙对稻壳表面形貌和结构的影响139-141

7.7 烘焙对稻壳研磨性能的影响141

7.8 烘焙对稻壳疏水性的影响141-142

7.9 本章小结142-143

参考文献143-146
第8章 稻壳烘焙历程机理的探讨146-160
8.1 引言146
8.2 实验部分146-148
8.

2.1 实验原料146

8.

2.2 热重分析146

8.

2.3 红外光谱分析146-147

8.

2.4 热重-红外联用分析147-148

8.

2.5 气相色谱分析148

8.

2.6 液体产物GC-MS分析148

8.3 基于组分分析的烘焙历程机理探讨148-150
8.4 基于产物分布的烘焙历程机理探讨150-154
8.

4.1 烘焙固体产物的红外光谱分析150-151

8.

4.2 烘焙液体产物的成分分布151-152

8.

4.3 烘焙气体产物的成分分布152-154

8.5 基于热红联用技术的烘焙历程机理探讨154-156
8.

5.1 温度曲线154

8.

5.2 烘焙失重曲线154-155

8.

5.3 TG-FTIR分析155-156

8.6 本章小结156-157
参考文献157-160
第9章 烘焙对稻壳热解液化影响的探讨160-170
9.1 引言160
9.2 实验部分160-161
9.

2.1 实验原料160

9.

2.2 TG-FTIR实验160

9.

2.3 Py-GC/MS实验160-161

9.

2.4 小型装置上的热解实验161

9.3 基于TG-FTTR的烘焙对稻壳热解影响的探讨161-164
9.

3.1 烘焙固体产物的热解特性161-162

9.

3.2 热解气态产物的生成特性162-164

9.4 基于小型热解装置的热解液体产物分析164-165
9.5 基于Py-GC/MS的热解液体产物分析165-167
9.6 “烘焙-热解”两段式流程图167
9.7 本章小结167-168
参考文献168-170
总结与展望170-174
1 工作总结170-172
2 本论文的创新点172
3 工作展望172-174
致谢174-176
在读期间发表的学术论文与取得的探讨成果176-178