毕业论文（设计）基于多步反应动力学木质纤维类生物质和污泥轻度热解过程的建模

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1、基于多步反应动力学木质纤维类生物质和污泥轻度热解过程的建模摘要：本文对比研究了典型的木质纤维生物质和非木质纤维素类生物质的轻度热解特性，并基于多步反应动力学原理，建立了生物质轻度热解的两步反应动力学模型；定义了反应程度指数REI来定量地探究轻度热解工况对反应的影响。结果表明：在同样的停留时间下，木质纤维类生物质的失重明显大于非木质纤维类生物质的；木质纤维素类生物质REI中高梯度域集中在高反应温度和长停留时间，而污泥REI中高梯度域存在于低反应温度；两部分反应模型能够很好地预测两类生物质的轻度热解过程

2、，并成功预测得到平衡失重百分比。关键词：木质纤维类生物质；污泥；轻度热解；多步反应模型；反应程度指数0前言化石能源一直占据着能源市场的很大份额。近些年来，能源需求的增加和化石燃料储量的减少以及环境的恶化，环境友好型的可再生能源和替代燃料得到了越来越多的关注[1,2]。生物质能是植物通过光合作用储存在生物体内的化学能[3]，其具有可再生、分布广泛和无碳排放的优点，已被认为是一种很重要的可再生能源[4]。生物质可以通过热化学（燃烧、热解和汽化等）过程直接释放能量或被转化为生物燃料（生物焦炭、生物油和生物

3、气）[5]。但是，生物质原料具有较高含水率、低堆积密度、低能量密度、较差的可磨性以及亲水性等缺点，会增加仓储、运输、粉碎等过程的成本，也会对热化学处理过程产生不利影响[4,6]，因此对生物质原料进行预处理具有重要的意义。轻度热解，也称作烘焙技术，作为一种有前景地生物质预处理技术，能够较大程度地改进生物质的品质[6]。生物质轻度热解过程是在惰性或低氧气氛中和一定温度（200～300℃）下进行的[7]，生物质中的水分、易挥发性可溶物逸出，且热稳定性较差的物质（半纤维素、纤维素和木质素）中一些含氧官能团被

4、分解，使得处理后生物质具有较好的燃料特性[8,9,10]。相关学者，也将轻度热解技术应用到非木质纤维类生物质的预处理，经过处理后的污泥也表现出更优的燃料特性[4,11,12]。目前，相关研究主要集中在反应条件（反应温度和停留时间）和物料含水率等对生物质轻度热解特性的影响。Grigiante等[13]将质量产率（处理后固体质量与原样品质量之比）作为衡量轻度热解生物质产品性能指标，同种生物质经过不同的温度和停留时间达到相同的质量产率时，产物的性质非常相似，因此将质量产率作为轻度热解预测模型中的一个重要评

5、价指标。Rousset等[14]研究了温度对竹子轻度热解的质量产率和能量产率（产品总能量与原样品中总能量之比）以及样品化学组成的影响，随着温度从220℃升到280℃，样品能量密度的升高量从5%到31%，并指出在轻度热解过程中主要是半纤维和纤维素发生热解反应。Medic等[15]研究了初始含水率、停留时间以及温度对玉米秸秆轻度热解后能量密度的影响，温度对物料能量密度的影响大于含水率和停留时间，物料初始含水率大20%时，对能量密度、质量产率和能量产率均有显著性影响，且温度越低影响越明显。可见，相关文献对

6、木质纤维素类生物质与非木质纤维素类生物质轻度热解特性的对比研究较少，特别是对轻度热解动力学特性进行分析是探究其内在机制的一个重要方面。Brachi等[16]分别应用OFW法和nonlinearVyazovkinincrementalapproach法对非定温橄榄果渣轻度热解特性进行动力学分析。Shang等[17]分别基于热重分析仪和自行搭建的半工业规模反应器中进行木片的轻度热解特性实验，用两步反应模型来预测轻度热解的质量产率和热值。Klinger等[18,19]在自行搭建实验台上进行杨木轻度特性试验

7、并进行动力学分析，建立了半经验的动力学模型，该模型包括三个连续反应，即半纤维素分解产生气体、水、有机酸和固体产物过程和固体产物进步降解过程以及生成最终产物过程。Peng等[20]发现一步反应动力学模型能够描述停留时间较长的轻度热解行为，而对停留时间短和质量损失少的轻度热解行为的预测能力较差。可见，多步反应动力学模型对而基于多步反应动力学对木质纤维类生物质（棉花秸秆、按树皮）和非木质纤维类生物质（城市生活污泥）对比研究较少。本文的研究目标是探究轻度热解温度和停留时间对两类生物质轻度热解特性的影响，揭示

8、两类生物质在研究工况下的轻度热解程度演变情况，建立两类生物质轻度热解的多步反应动力学模型及探究其预测能力。1研究方法1.1.实验样品与试验流程本试验样品为按树皮、棉花秸秆和城市生活污泥。所有样品均在鼓风干燥箱中（105℃）干燥24小时。用电磁式粉碎机粉碎干燥后的样品，且用标准分筛（80目），目的是减小样品颗粒大小不均匀性引起的误差。本试验在热重分析仪(TGAQ500)上进行，为了保持反应室内为惰性气氛，通入100ml/min氮气，然后由室温升到105℃，保持10min