夏威夷果壳热解行为和动力学研究

夏威夷果壳热解行为和动力学研究授课人：XXXX20XX.XX夏威夷果壳热解行为和动力学研究目录夏威夷果壳热解行为和动力学研究制作者：李昆隆指导教师：徐敏【内容摘要】：夏威夷果壳是种典型的生物质废弃物，本文采用热失重分析法考察夏威夷果壳在氮气气氛和不同升温速率(5，10，20，30,℃/min)下的热解特性，并利用Kissinger法计算夏威夷果壳热解过程的表观活化能。分析和计算结果表明：夏威夷果壳热解过程可分为4个阶段；随着升温速率的提升，TG和DTG曲线均向高温侧移动，热解特征参数均增大；利用Kissinger法求解出的平均表观活化能分别为243.60kJ/mol【关键词】：夏威夷果壳热解热重分析1、项目背景夏威夷果壳热解行为和动力学研究生物质作为可再生能源，种类多，数量极丰富，可作为化石能源的替代品［1］相对化石能源，生物质能是一种清洁能源，对生态环境不会造成不良影响夏威夷果因其具有很高的营养价值和经济价值，被誉为"坚果之王"，受到人们喜爱近年来我国夏威夷果的种植面积不断扩大2019年，我国澳夏威夷果总产量达4.9万吨，夏威夷果壳占壳果重量的2/3，果壳坚硬，表面致密,含有丰富的纤维素和半纤维素，国内外对夏威夷果壳综合回收利用虽有报道，但研究较少，开发利用不足，在生产上大部分夏威夷果果壳被遗弃或焚烧，造成资源的浪费和污染环境开展夏威夷果壳的资源化技术研究，对减少污染排放、固废循环利用有积极意义夏威夷果壳热解行为和动力学研究生物质热解是一种高效的生物质转化途径，可以将秸秆、木废料、果壳等生物质原料在氮气、二氧化碳等气氛中热化学转化为固体、液体和气体等高品质燃料。生物质热解过程反应复杂，热解动力学又是研究热解过程参数对原料转化率的重要手段，通过对动力学分析可深入了解热解反应的过程及机理，从而促进热化学转化技术的开发[2]热重分析(TGA)可以更好地量化燃烧、动力学和热力学参数,从而了解生物质的热降解过程[3]国内外学者对不同生物质的热解过程及热解动力学进行了不同程度的研究赵欢欢[4]开展了玉米秸秆热解特性及动力学分析，采用Flynn-Wall-Ozawa和Kissinger-Akahira-Sunose两种等转化率法计算玉米秸秆热解的活化能，并结合主曲线法和Coats-Redfern(C-R)法探讨了玉米秸秆热解遵循的机理方程夏威夷果壳热解行为和动力学研究01杨坤彬等[6]研究了升温速率对椰壳的热解特性的影响，结果表明升温速率对椰壳的热解的失重率及热解产物得率都有明显影响05目前，关于瓜子壳、杏仁壳、核桃壳等果壳的热解特性都有着大量的研究，但夏威夷果壳的热解特性研究报道不多0203许细薇等[7]研究了油茶壳热解特性及动力学分析，发现油茶壳的热解过程分成3个阶段，主热解阶段在250~350℃之间04分别用Ozawa法和Friedman法对油茶壳热解进行了动力学计算，发现随着热解转化率的增加，活化能分别在139~270kJ/mol和151~302kJ/mol范围内杨坤彬等[6]研究了升温速率对椰壳的热解特性的影响，结果表明升温速率对椰壳的热解的失重率及热解产物得率都有明显影响夏威夷果壳热解行为和动力学研究项目开展夏威夷果壳的热解行为研究，研究其热解动力学规律，为热处理资源化回收利用提供理论基础2、实验部分2.1实验材料和仪器购买夏威夷果，取出果仁后，将果壳超声洗净后，烘箱干燥4小时去除水份，用破碎机将果壳破碎到60目以下，筛分后取60-120目的物料作为实验原料，放入干燥器内备用。如图1所示夏威夷果壳热解行为和动力学研究热重实验在耐驰-STA449热重分析仪上进行，红外谱图在SpectrumTwo红外光谱仪测试2.2实验过程热重分析：打开氮气阀，转动旋钮调节氮气压强0.2mpa至0.3mpa，稳定20分钟以上。首先放入空的氧化铝坩埚稳定后清零，然后取一定量的样品放入氧化铝坩埚中稳定称重。设置仪器分别以5℃/min、10℃/min、20℃/min、30℃/min的升温速率从30℃加热到900℃，进行热重实验，最后得到不同升温速率条件下的热重曲线(TG)和微商热重曲线(DTG)红外测试：打开SpectrumTwo红外光谱仪(见图2-3左)，设置仪器参数为分辨率8cm-1，样本扫描次数为16次，背景扫描次数为16次，采用的光谱范围为4000-650cm-1。将溴化钾药品取适量于坩埚中细细研磨，放入模具中压紧，放在压片机上旋紧螺旋，调节压片机压力为1.5ton停留1到2分钟进行压片，制作空白样品后放入仪器中扫描背景。然后将样品放入溴化钾(样品：溴化钾=1:100)中用研钵研磨混合，压片，然后放入仪器扫描样品夏威夷果壳热解行为和动力学研究NEXT2.3热解动力学分析热解动力学分析是通过热重曲线和热解动力学模型函数研究热解动力学，计算热解动力学参数，采用Kissinger法计算热解动力学参数3、实验结果与讨论3.1热解特性研究在升温速率为20℃/min的条件下，测试了夏威夷果壳的热重曲线(TG)和微商热重(DTG)曲线，结果如图2和图3所示图2夏威夷果壳在20℃/min升温速率条件的TG曲线图3夏威夷果壳在20℃/min升温速率条件的TG曲线由图2和图3可见，随着温度的逐渐升高，夏威夷果壳质量逐步降低，在600℃之后果壳质量曲线下降趋于平缓，900℃是热解残渣质量为28.97%，热解过程基本完成从TG和DTG曲线综合分析，夏威夷果壳的热解过程可分为4个阶段夏威夷果壳热解行为和动力学研究第一阶段(50-160℃)：干燥脱水失重阶段，主要发生是水分的挥发导致整体质量有所下降第二阶段(200-330℃)：热分解第一段(副热解阶段)，在这一变化区间TG曲线下降，DTG曲线上对应出现一个吸热失重峰，在290℃左右达到峰值，此温度下失重速率达到10.05%/min这是因为果壳等生物质一般是由木质素、纤维素与半纤维素组成[8]，而半纤维素热解温度相较于纤维素来说较低，所以此温度区间主要是半纤维素裂解产生二氧化碳、一氧化碳等气体同时产生乙酸、木焦油等液体，从而导致质量的降低第三阶段(330-380℃)：热分解第二段(主热解阶段)，此温度区间，夏威夷果壳热解TG曲线失重最为明显，DTG曲线出现了第三个峰，在345℃时达到峰值，此温度下失重速率达到14.35%/min，同时也达到了整个热解过程的最高值夏威夷果壳热解行为和动力学研究在这个过程中热解反应强烈主要发生的主要是果壳纤维素的裂解，其分解产物基本和半纤维素相同，主要是裂解产生一氧化碳、二氧化碳、乙酸、木焦油等[9]第四阶段(400-900℃)：缓慢炭化阶段，在400℃之后由于主要的有机与