纤维素热解过程及产物特性研究

文献综述

化石燃料的迅速消耗导致全球能源危机，而生物质作为洁净能源和高附加值化学品的原料受到广泛关注。生物质具有储量丰富.对环境污染小，低温室效应等优点，然而，要实现生物质能源的充分利用，热裂解是重要的技术手段之一。通过TG- FTIR（热重-傅立叶红外光谱）联用的结束不仅可获得物质热分解的始终和温度的关系，还可实时检测物质热分解气相产物的组成。

近年来，生物质热解制取高品位液体燃料引起了广泛关注。然而生物质热解过程非常复杂，是其主要成分（纤维素、半纤维素、木质素）热裂解行为的综合表现^[1-5]。王伟等采用TG-FTIR(热重-傅立叶红外光谱) 联用的分析方法对红松锯屑的热解失重特性和产物生成特性进行了研究，通过对产物浓度变化的半定量分析, 验证了粒径对热解特性的影响效果以及735 ℃左右特殊失重过程的存在^[1]。张怡等以稻壳快速热解产物生物油为对象，在对其进行热重红外检测的基础上，结合生物油及其轻质、重质组分的热解气化实验，研究了生物油热解气化过程及气体产出特性。结果表明，生物油的热解气化分为两个阶段，一是轻质组分的快速挥发热解; 二是重质组分的裂解气化与缩合缩聚，活化能分别为35-38 kJ /mol和15-22 kJ/mol^[3]。温度升高，热解气化效率增加，以H₂和CO为主的合成气产量增多，但气体产物热值降低。气体中H₂主要来自轻质组分的热解气化，而重质组分则裂解产生较多的CO、CH₄等物质。沙柳纤维素热稳定性最好，热降解过程较短且降解充分；沙柳半纤维素热稳定性最差；沙柳木质素热降解过程持续时间长，质量损失速率相对缓慢。张忠涛等利用热重红外分析法分析了沙柳及其主要组分纤维素、半纤维素、木质素的热质量损失特性及热解动力学规律、产物官能团特征^[10]。晏群山等用热重分析和热解气质联用研究了蔗渣纤维素、半纤维素和综纤维素 3 种样品的热解规律，并探讨了纤维素和半纤维素单组分间的相互作用^[5]。顾洁等以油茶壳为原料，分离提取纤维素，半纤维素和木质素。利用 TG-FTIR研究了油茶壳技其三组分在不同升温速率下的热解特性^[12]。一些研究者发现生物质纤维素和半纤维素在热解过程中还存在着交互反应，进而影响生物质的热解行为^[13-15]。

在热解产物方面，国内外研究者也进行了一些分析^[16-20]。Yang利用小型流化床热解反应器及热重-红外联用分析仪（TG-FTIR）对纤维素的热解特性进行了实验研究，研究认为：随着热解温度升高，纤维素热解产物产率增加；当热解温度在550~ 570℃时，纤维素基本达到完全热解，且温度进一步升高将不利于热解产物左旋葡萄糖的生成^[16]。 Gao利用热解与气相色谱联用技术对不同纤维素热解挥发分进行了研究，讨论了不同预处理条件对热解产物组成的影响，结果表明：高结晶度的纤维素有利于产物左旋葡萄糖酮的生成，纤维素的超分子结构和酸处理条件对产物组成影响较大^[17]。Asadullah对纤维素的热解进行了研究，结果认为：虽然纤维素热解会释放出很多种化合物，并反映出热解过程的复杂性，但其热解过程可以通过一个简单的一级反应模型进行模拟^[20]。

参考文献

[1] 王伟,蓝煜昕,李明.TG-FTIR联用下生物质废弃物的热解特性研究[J]. 农业环境科学学报,2008,01:380-384.

[2] 任学勇,杜洪双,王文亮,苟进胜,常建民.基于TG-FTIR的落叶松木材热失重与热解气相演变规律研究[J]. 光谱学与光谱分析,2012,04:944-948.

[3] 张怡,陈登宇,张栋,朱锡锋.生物油TG-FTIR分析与热解气化特性研究[J].燃料化学学报,2012,10:1194-1199.