第三章木材热解工艺木材热解工艺学
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木质纤维素生物质热解及其产物研究目录第一章文献综述 (1)1.1 引言 (1)1.2 木质纤维素的热解过程 (1)1.2.1 纤维素热解 (2)1.2.2 半纤维素热解 (7)1.2.3 木质素热解 (8)1.2.4 真实生物质热解 (9)1.3 生物质催化热解 (11)1.4 工业热解反应器 (11)1.4.1 流化床反应器 (11)1.4.2 固定床反应器 (12)1.5 热解-气质联用技术 (13)1.6 本论文研究意义及主要内容 (14)1.6.1 研究意义 (14)1.6.2 本论文主要内容 (14)1.7 小结 (14)第二章实验部分 (16)2.1 试剂与仪器 (16)2.2 实验原料的表征 (17)2.2.1 白杨木屑灰分、水分、挥发分及固定碳含量测定 (17) 2.2.2 白杨木屑的提取物及三大组分的测定 (18)2.2.3 有机溶剂型木质素的提取 (19)2.2.4 实验原料的红外光谱测定 (20)2.3 生物质模型化合物酸洗预处理 (20)2.3.1 纤维素的酸洗处理 (20)2.3.2 酶解木质素的酸洗处理 (20)2.4 生物质模型化合物金属盐预处理 (21)2.4.1 机械混合法 (21)2.4.2 过量浸渍法(分散型硝酸镍催化剂) (21)2.5 热重分析 (TGA) (21)2.6 热解-气质联用 (Py-GC/MS) (21)2.7 分子筛催化剂表征 (22)2.7.1 氮气吸附-脱附表征 (22)2.7.2 氨气--程序升温脱附(NH-TPD) (23)3第三章生物质原料的热重分析 (25)3.1 原料的理化特性分析 (25)3.1.1 白杨木屑的灰分、含水量、挥发分和固定碳含量 (25) 3.1.2 白杨木屑的提取物及三大组分分析 (25)3.1.3 实验原料的红外光谱分析 (25)3.2 原料的热重分析 (29)3.3预处理对纤维素、酶解木质素热重分析的影响 (31)3.3.1 酸洗预处理对纤维素、酶解木质素热重分析的影响 (31) 3.3.2加盐预处理对纤维素、酶解木质素热重分析的影响 (33) 3.4小结 (35)第四章生物质原料的快速热解产物分析 (36)4.1 纤维素快速热解产物 (36)4.2 木聚糖快速热解产物 (38)4.3 不同木质素的快速热解产物 (40)4.4 白杨木屑快速热解产物 (45)4.5 温度对生物质模型化合物快速热解可凝产物分布的影响 (47) 4.6 小结 (48)第五章不同催化剂对纤维素快速催化热解的影响 (49)5.1 分散型催化剂Ni(NO3)2对纤维素热解的影响 (49)5.1.1分散型催化剂Ni(NO3)2对纤维素热分解性质的影响 (49)5.1.2分散型催化剂Ni(NO3)2对纤维素快速热解产物分布的影响 (50)5.2 HZSM-5催化剂对纤维素快速催化热解的影响 (52)5.2.1 HZSM-5催化剂快速催化热解产物分析 (52)5.2.2反应温度对HZSM-5催化剂快速催化热解产物分布的影响(54)5.3 HZSM-5催化剂的BET和NH3-TPD表征 (54)5.3.1氮气吸附-脱附(BET) (54)5.3.2氨气程序升温脱附(NH3-TPD) (56)5.4 小结 (56)第六章结论与展望 (57)6.1 结论 (57)6.2 展望 (58)参考文献 (59)发表论文和科研情况 (67)致谢 (68)第一章文献综述第一章文献综述1.1 引言木质纤维素生物质具有分布广、价格低、可再生等优点,利用好这一巨大的能源宝库,将会从根本上扭转目前由能源问题引发的一系列环境和社会问题。
木质素是植物细胞壁的重要组成部分,其热裂解是指在高温环境下,木质素分子发生断裂和重组反应,生成不同的化合物。
木质素热裂解主要有以下几种方式:热解:木质素的热解是指在高温下,由于木质素中的化学键断裂,产生大量的低分子量挥发性化合物。
此过程可以分为干燥、无水热解和干馏三个阶段。
干燥阶段主要是木材中非结合水的蒸发;无水热解阶段是木质素中化学键的断裂,生成小分子挥发性化合物;干馏阶段是指发生木材的碳化和生成二次反应产物。
炭化:木质素在高温下发生炭化反应,生成炭与焦油。
炭是由于木质素中的碳元素在高温下发生裂解和排除水分、氧气等元素而形成的纯碳。
焦油是指由高温下热裂解产生的液体产物,主要成分是多环芳香烃和酚类化合物。
高温裂解:在极高温度下,木质素分子中的键断裂,产生一系列小分子化合物,如酚类、羟基化合物、醛类和酮类化合物等。
木质素热裂解的产物主要包括以下几类:挥发性化合物:热解过程中,木质素分子中的化学键断裂,生成大量的挥发性化合物。
主要包括酚类化合物、醛类、酮类、羟基化合物等。
这些化合物在木材加工和细胞生物化学反应中具有重要的应用价值。
焦油:热裂解会生成液体产物,称为焦油。
焦油是一种复杂的混合物,主要由多环芳香烃和酚类化合物组成。
焦油在木材炭化和化学工业中具有广泛的应用。
炭:高温下,木质素分子中的碳元素发生裂解和排除水分、氧气等元素后形成的纯碳。
炭具有高热稳定性和吸附性能,可用于制备高性能材料、环境保护和能源存储等领域。
以上是关于木质素热裂解方式及其产物的简要介绍,研究木质素热裂解可以帮助我们更好地了解木质素的结构与性质,并为木材加工、生物质能源开发等领域提供科学依据。
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木材热解和气化的研究进展学院:材料科学与艺术设计专业:林产化学加工工程姓名:靳久哲学号: 20122070171 木材热解热解是一种将生物质转化为高品位工业品、能源和化学品的高效转化技术[1]。
热解可以通过快速裂解把70%的生物质能转化为液体生物油,也可通过气化将75%的生物质能转化到可燃气体。
热解是在不向反应器内通入O2、H2O或空气的条件下,间接加热使木材发生热化学分解。
在人类文明的初期,热解已经得到利用。
在古埃及,通过木材的干馏来制取焦油和熏香或用于尸体防腐剂的焦木酸。
在18世纪木材热解生产焦炭是主要的工业,是在化石燃料被开发利用前,工业革命所利用的主要燃料。
在19世纪末20世纪初,木材干馏仍然用于生产可溶性焦炭、沥青、碳酸和一些非冷凝气体用于加热自用锅炉。
到20世纪30年代,由于石油工业的兴起和低价衍生产品的出现,木材干馏才逐渐衰落。
然而至今木柴热解制取焦炭仍广为采用[2]。
1.1快速热解液化快速热解是一种高温处理过程,它采用超高加热速率(102-104K/s)、超短产物停留时间(0.2-3.0s)及适中的裂解温度,使木材中的有机高聚物分子在隔绝空气的条件下迅速断裂为短链分子,使焦炭和产气降到最低限度, 通过热化学的方法,将原料直接裂解为粗油,最大限度获得液体产品(生物油)。
快速热解反应可概括为,木材经快速热解得到生物油、炭和气体[3]。
与传统的热解工艺相比,快速热解液化的必备特征包括: 1)非常高的加热和传热速率,因此通常要求进料粒度较细;2)气相反应温度约在500℃,蒸汽停留时间少于2s;3)对热解蒸汽采取骤冷处理[4]。
1.2催化热解目前,催化热解受到了国内外研究者的重视。
在秸秆中添加催化剂碳酸钠能使半纤维素的主要热解区间向低温区移动。
催化剂对木质素的影响最为显著,其DTG 曲线由无催化剂时的单峰变为一大一小两个峰,主要热解区间向低温区移动较大,转化率也有所提高[5]。
FundaAtes等[6]研究了不同催化剂对生物质快速热解的影响。
植物原料热解基础1. 木材热解:在隔绝空气或通入少量空气的条件下,利用热分解的方式以木材或其他植物为原料制取各种生物质能源及各种化工产品的方法。
2. 木材热解工艺学包括(木材炭化及活性炭制造)、(木材干馏)、(植物能源气化和液化)等方面的生产与应用。
3. 木材热解过程及特征?答:木材热解过程分为四个阶段。
⑴干燥阶段特征:120~150℃;加热速度慢,主要蒸发的是水份,木材化学组成几乎不变。
⑵预炭化阶段特征:150~275℃;反应明显,木材化学组分开始变化。
不稳定组分半纤维素分解为 CO2、CO、少量醋酸。
* 第㈠、㈡阶段是吸热分解阶段⑶炭化阶段特征:275~450℃;木材急剧热分解,产生大量的分解产物。
产物含有醋酸、甲醇和木焦油。
此时 CO2生成量减少,而甲烷、乙烯等可燃气体增多,反应大量放热。
⑷煅烧阶段特征:450~500℃;此阶段对生成的木炭进行煅烧。
排除残留在木炭中的挥发物,提高固定炭含量。
* 第㈢、㈣阶段是吸热分解阶段。
4. 热解产物分为固、液、气三态。
固体产物——木炭(charcoal)液体产物——粗木醋液(crude pyroligneous acid )气体产物——不凝性气体或木煤气(wood gas )5. 木材经热分解处理后,釜内残留固体称木炭。
——常指炭化料。
6. 粗木醋液分为澄清时分为二层(澄清木醋液)和(沉淀木焦油)。
澄清木醋液:黄色~红棕色、烟焦气味;沉淀木焦油:黑色、粘稠油状液体。
7. 气体产物——木煤气:CO2、CO、CH4、C2H4和H2。
8. 纤维素的热分解分为几个阶段?答:(1)的蒸发与干燥阶段:100~150℃纤维素游离水和结晶水蒸发、氢键断裂、纤维素的热容量增加,发生相变,但纤维素的化学性质不变。
(2)葡萄糖基脱水阶段T>150 ℃;纤维素大分子中的葡萄糖发生β-O-4的醚键分解,生成左旋葡聚糖。
3)热裂解阶段T>240 ℃;纤维素热分解反应开始变得激烈起来,275 ℃进入放热反应阶段;热分解更激烈和复杂。
热解木质纤维的化学反应机理Introduction木材是生命力的象征。
它们是我们用手指触摸到的第一个可见的生物存在的产物,也是人类起初使用工具的基础。
随着时间的流逝,木材在各种方面被广泛应用,如建筑、家具和艺术品等。
尽管木材在自然界中无法永久保存,但通过热解木质纤维的化学反应,可以将木材转化为更为稳定的形式,以便延长其使用寿命。
Chapter 1: 热解木质纤维的概念热解是一种化学反应,它涉及使用高温将多种有机物分解为小分子化合物。
热解工艺被广泛用于纺织品、燃料和木材等行业。
热解木质纤维是一种利用木材的加工技术,可以将木材转化为腌制木材、木炭、木醋液等更为稳定的形式。
Chapter 2: 热解木质纤维的原理木材主要是由三种生物高分子纤维素、半纤维素和木质素组成。
这些高分子长链聚合物可以在高温下分解成极小的分子。
在热解过程中,木材中的高分子被加热以至于分解,释放出一系列的小分子产物。
其中,比较重要的产物是非结晶性纤维素和大量的低分子化合物,如甲醛、甲酚和醋酸等。
Chapter 3: 热解木质纤维的过程热解木质纤维的反应过程包括以下四个步骤:1. 除去木材的水分:加热木材,使其脱去水分,并开始分解半纤维素。
2. 半纤维素分解:木材中的半纤维素被分解成糖和二糖。
3. 纤维素分解:随着温度上升,高分子纤维素分解成小分子,释放出气体和液体。
4. 木质素分解:随着温度的继续上升,木质素和残留的纤维素和半纤维素被分解成碳和灰。
Chapter 4: 热解木质纤维的产物热解木质纤维的反应产生三个主要的化学产物:腌制木材、木醋液和木炭。
1. 腌制木材:经过热解处理的木材可以产生一种具有低水分含量和抗腐蚀性的新型木材。
2. 木醋液:热解过程中生成的蒸气可以冷凝为一种可以再生应用的有机酸——木醋液。
这个不仅是一种有机化学品,也经常用于制造耐火材料和高强度纤维。
3. 木炭:热解过程中的残留物在缺氧或低氧的环境下经过干燥和碳化会生成木炭,它被广泛使用于家庭加热和生产煤气和热水。
热解的工艺及类型
热解是指在高温条件下将一种物质加热分解成其他物质的过程。
热解工艺可以用于生产各种化学物质、能源和材料。
热解的类型包括以下几种:
1. 热解工艺在石油化工中的应用:石油热解是将石油原料经过高温加热分解成低分子量的燃料气、液体燃料和石油副产品的过程。
常用的石油热解工艺有裂化、裂化重整和加氢裂化等。
2. 生物质热解工艺:生物质热解是将生物质原料(如木材、秸秆等)加热分解成燃料气、液体燃料和固体炭等的过程。
生物质热解可以用于生产生物质燃料、生物柴油和生物炭等。
3. 高分子材料热解工艺:高分子材料热解是将高分子聚合物加热分解成低分子量的气体、液体或固体产物的过程。
高分子材料热解可以用于回收再利用废弃塑料和橡胶等。
4. 煤炭热解工艺:煤炭热解是将煤炭加热分解成产生煤气、焦油、焦炭和灰渣等的过程。
煤炭热解可以用于煤气化和焦炉煤气脱硫等。
5. 金属矿石热解工艺:金属矿石热解是将金属矿石加热分解成金属和非金属产物的过程。
金属矿石热解可以用于提取金属和回收再利用废弃金属等。
总之,热解工艺具有广泛的应用领域,并可以通过不同的工艺来实现不同的目标,包括能源生产、材料回收和环境保护等。