在能源紧缺与环境保护的双重压力下,生物质能的开发利用受到人们的广泛关注。生物质热裂解技术不仅是一种独立的生物质能高效利用转化方式,而且还是生物质气化和燃烧过程必不可少的一个阶段,对生物质热裂解进行深入的机理研究有利于提高我国生物质能的转换利用水平。本文依托国家杰出青年科学基金“生物质能源化综合利用的机理性研究”和国家自然科学基金“金属盐催化生物质快速热裂解机理”,对生物质热裂解行为进行了系统的研究。 本文首先在热天平和傅立叶红外光谱联用分析仪上对生物质的三种主要组分纤维素、半纤维素和木质素开展了相应的热裂解动力学研究,对比分析了三组分在热失重曲线中体现出的不同规律并计算了各自的动力学参数,对应生物质各个失重阶段的红外分析结果也为后续的生物质热裂解机理研究提供了依据,同时还研究了金属盐对生物质热裂解动力学特性的影响规律。 利用红外辐射加热的快速性特点,本文分别研究了纤维素、半纤维素和木质素快速热裂解生成的焦油等产物随辐射源温度以及气相停留时间的变化规律。结合GC-FTIR对焦油组分的分析,得出纤维素热裂解生成的焦油以左旋葡聚糖和乙醇醛为主,同时还有一些酮类和酸类化合物;木聚糖热解得到的焦油主要为酸和糠醛等;而木质素热裂解生成的焦油的主要成分为芳香烃类以及苯酚类化合物。在这基础上总结了组分对生物质热裂解的影响规律。 基于金属盐在生物质热裂解过程中所起的重要催化作用,本文还在红外加热装置上通过对纯净白松添加金属盐以及酸洗研究了钾离子、钙离子、钠离子和镁离子对白松热解的影响规律。结合前面的热重实验结果发现,金属盐对生物质中纤维素组分影响最为明显,而对半纤维素和木质素的催化选择性较差。钾离子对生物油中的一些大分子量组分发生重聚反应生成焦炭和小分子气体产物具有强烈的催化作用。 在动力学分析以及机理实验的基础上,结合国内外的研究成果,对生物质热裂解机理进行了系统分析,总结了纤维素、半纤维素和木质素在热裂解各个阶段典型产物的析出规律,并探讨了相应的生成途径,为全面理解生物质热裂解机理以及为日后的定向热裂解技术打下基础。 结合本实验装置的特征以及物料特性,本文最后建立了考虑生物质三组分各自热裂解的生物质热裂解模型。模拟了温度以及颗粒粒径对生物质热裂解的影响,并考察了不同纤维素,半纤维素和木质素比例对生物质热裂解产物分布的影响。模型结果与实验事实吻合较好,为物料和反应参数的选择提供了依据。