(完整版)花生壳生物质热解特性研究毕业设计

毕业论文学院：材料科学与工程学院专业年级：08级高分子二班题目：花生壳生物质热解特征研究指导教师：杨素文博士评阅教师：2012年5月摘要生物质能是重要的可再生资源之一，而热解是未来最有前景的生物质利用方式之一。

通过对生物质的热解动力学研究，可以获得热解反应动力学参数，对于判断热解反应机理和影响因素以及优化反应条件具有重要意义。

利用热分析仪，在氮气气氛下，采用不同升温速率对花生壳热解行为进行了研究。

通过热重分析实验了解生物质受热过程中的基本变化规律及其影响因素，结果表明，随升温速率的增大，达到最高热解速率时所对应的温度也越高，且升温速率越高热解越快，达到相同热解程度所需的时间越短。

通过热重曲线研究花生壳的热解动力学，求出动力学参数。

关键词：生物质, 热解、热重分析，动力学ABSTRACTBiomass energy is one of most important renewable energies. Paralysis is one of most promising methods of biomass utilization in the future. Study on biomass paralysis kinetics which can obtain paralysis kinetic parameters is of great important significance toward judging paralysis mechanism and influence factors and optimizing reactionconditions. The thermal characteristics of peanut shell were investigated by thermal analysis technique at different heating rates in N2atmosphere. Understand the basic process of change and its impact factors through TGA experiments. The results showed that with the increase of heating rate,the corresponding temperature of the highest paralysis rate shifted to thehigh side, and the higher thermal heating rate，the faster paralysis, the required time to the same degree of paralysis is shorter. Through the TGA curves studied paralysis kinetics of the peanut shell and derived kinetic parameters.KEY WORDS：biomass, paralysis, TGA, kinetics目录第一章绪论 (4)1.1 研究背景及意义 (4)1.2 生物质热解研究现状 (6)1.2.1 国外生物质热解技术研究现状 (6)1.2.2 国内生物质热解技术研究现状 (8)1.3 生物质热解技术发展趋势 (9)1.4 本文研究目的与内容 (10)第二章生物质热解理论概述 (10)2.1 生物质的基本化学结构和组成 (10)2.2 生物质热解基本机理 (11)2.2.1 从生物质组成角度分析 (11)2.2.2 从能量传递角度分析 (12)2.2.3 从反应进程分析 (13)第三章生物质热重实验研究 (13)3.1 实验原料 (13)3.1.1 原料的制备 (13)3.1.2 原料的工业分析及元素分析 (13)3.2 实验装置与方法 (14)3.2.1 实验装置介绍 (14)3.2.2 实验条件 (17)3.2.3 实验部分 (18)3.3 花生壳热重实验结果分析 (18)3.3.1 热解过程 (18)3.3.2 升温速率对热解特性的影响 (19)3.3.3 TG 曲线和DTG曲线分析 (21)第四章生物质热解动力学研究 (23)4.1 生物质热解动力学分析 (23)4.1.1 速率常数 (23)4.2 动力学模型的建立 (24)4.3 动力学参数计算 (26)结论 (30)致谢 (31)参考文献 (32)第一章绪论1.1 研究背景及意义能源、环境和持续发展是当前世界性的问题。

自20世纪70年代以来，人们对石油、煤炭、天然气的储量和开采时限做过种种的估算和预测，几乎得出了一致的结论：21世纪中叶化石燃料将被开采殆尽，或因开采成本过高而失去开采价值尽管地质学家和经济学家们在激烈地争论石油开始匮乏的时间，但无论如何，化石燃料终将耗尽却是无可争辩的事实，“居安思危”开发替代能源是非常必要和迫切的[1]。

另一个值得严重关注的事实是：现行的以利用化石燃料为主的能源体系严重威胁着人类的生存环境。

化石燃料的利用往往伴随着大量有害物质的排放，使大气环境受到严重污染。

近几十年来，地球大气层中的化学成分已有很大变化，气中的CO2增加了25%，NO X增加了19%，CH4增加了100%，大气中的CFCs（氯氟氢）和SO2含量也提高了。

这给人类带来的直接危害便是：地球的“核保护伞”—臭氧层被破坏，危害人类的的“杀手”—酸雨不期而降，“厄尔尼诺”现象的反复重现，全球暖化日趋明显。

严竣的现实迫使我们每一个人从现在起就要采取相应的措施来拯救我们的生存环境[2]。

综上所述，从保护全球环境角度和提供社会可持续发展所需的能源资源角度来看，对能源发展提出了两个极为重要又迫切需要解决的问题，一个是大力开展提高能源利用率和千方百计地节约能源；另一个就是要积极开发依赖于可再生能源(太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能)新型能源体系[2]。

本文的研究思路着眼于解决第二个问题。

考虑到当前中国经济的发展状况并借鉴国外经验，我们将研究的重点放在生物质能的开发和利用上。

生物质直接或间接来自于植物。

广义地讲，生物质是一切直接或间接利用绿色植物进行光合作用而形成的有机物，它包括世界上所有的动物、植物和微生物，以及由这些生物产生的排泄物和代谢物。

狭义地说，生物质是指来源于草本植物、树木和农作物等的有机物质[3]。

地球上生物质资源相当丰富，世界上生物质资源不仅数量庞大，而且种类繁多，形态多样。

按原料的化学性质分为糖类、淀粉和木质纤维素物质。

按原料来划分，主要包括一下几类：(1)农业生产废弃物：主要为作物秸秆等；(2)薪柴、枝杈柴和柴草；(3)农业加工废弃物，木屑、谷壳、果壳等；(4)人畜粪便和生活有机垃圾等；(5)工业有机废弃物、有机废水和废渣；(6)能源植物，包括作为能源用途的农作物、林木和水生植物等[3]。

与化石燃料相比，生物质能具有以下优点：(1)可再生性；(2)低污染性，即生物质的硫含量、氮含量低，燃烧过程中的SO2、NO X较少；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳量相当于它燃烧时排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，从而有效地减轻温室效应；(3)广泛分布性，缺乏煤炭的地域可充分利用生物质能[4-6]。

目前，生物质的转化利用途径主要包括物理转化、化学转化、生物转化，可以分别转化为热能或电力、固体燃料、液体燃料和气体燃料等二次能源。

生物质的物理转化是指生物质的固化，将生物质粉碎至一定的平均粒径，不添加黏结剂，在高压条件下，挤压成一定形状。

物理转化解决了生物质能性质各异、堆积密度小且较松散、运输和储存使用不方便问题，提高了生物质的使用效率。

生物质化学转化主要包括直接燃烧、液化、气化、热解、酯交换等。

生物质的生物转化是利用生物化学过程将生物质原料转变为气态和液体燃料的过程，通常分为发酵生产乙醇工艺和厌氧消化技术。

生物质热解是指生物质在无空气等氧化环境情形下发生的不完全热解生成炭、可冷凝液体和气体产物的过程，可得到炭、液体和气体产物。

根据反应温度和加热速率的不同，将生物质热解工艺可分成慢速、常规、快速热解[4]。

我国是一个农业大国，每年有6亿t农作物，其中玉米秸秆就达2.2亿t之多[5]。

除用于炊事燃料及一部分用于副业原料和饲料外，其余均为废弃物。

农林生产中所产生的生物质的种类多，产量巨大，较常见的有稻壳、植物秸秆、玉米芯、锯末、碎木块、甘蔗渣等。

这些农林废弃物的随意堆放，腐烂发臭和就地焚烧加重了城乡环境污染，降低了能见度，引发了不少空中和陆地交通事故。

并且随着农村经济的发展，经济发达的地区对燃烧效率高、洁净、方便的优质燃料的需求不断增加。

利用广大农村方便易得的秸秆等生物质，将其高效地转化为可利用的洁净燃料，寻找一条投资省、经济可行的能源供应方式，对于广大农村的经济的进一步发展，提高农民的生活水平具有重要意义。

综上所述，在我国开展生物质的综合利用有着十分重要的社会、经济效益[6]。

就当前情况看，生物质燃料的成本仍很高，相当于原油的1.2倍～3.6倍。

随着科学技术的进步，通过提高工厂生产能力，可在一定程度上降低成本；同时石油价格会随着石油资源的减少而上涨，两者的价格差距会增大。

今后从农业废弃物、树木等可再生资源获取的能源和化工原料在整个能源和化工原料中的比例将显著提高。

目前迫切需要解决的问题之一是开发用生物质热化学催化反应过程的高效催化剂，提高目标产物的收率，降低操作费用，增加生物质能与一次能源的竞争力。

在已开发出的众多催化剂中，碱性催化剂如碳酸钠、碳酸钾等被认为很有开发应用潜力，但其作用机理目前还没有一致的认识。

近几年，利用热重分析研究秸秆类生物质的热解特性，国内外研究者已提出一些有价值的结论和见解。

但目前还极少有关对生物质催化热解的研究报道[7]。

1.2 生物质热解研究现状1.2.1 国外生物质热解技术研究现状由于液体燃料的优势，而且在欧洲石油和煤炭等化石燃料资源极为缺乏，因此60 年代末国外就开展了该技术的研究，从八十年代初开始，生物质热解液化技术在欧美国家得到了高度重视。

目前该技术在美国、加拿大、意大利、瑞士、英国、荷兰和澳大利亚等国家的开发居世界领先地位，己研究开发出常规、快速、真空、闪速、流化床、固定床等十几种热解装置及相应的技术，有的新技术已经达到商业化阶段[8-9]。

固定床生产的主要产品为炭，瑞士Bio-Alternative SA公司，采用的是下流式固定床。

所使用的生物质原料为纵树和桃树，炭的产量占重量的30%[9]。

著名的流化床技术由Kosstrin et al.[10]研制，中等规模的流化床反应器，具有较大的容积和流动床面，流化床反应器可以使生物质原料充分热解，产生少量的焦油。