木质素热解失重动力学方法研究开题报告

1. 研究目的与意义

随着全球化石燃料的日益枯竭以及人类对石化产品需求的日益增多，人们越来越关注可再生能源的发展，生物质即是一种来源充沛，环境友好的清洁再生能源。在我国，随着农林业的大力发展，除了大量的木材类生物质以外，在农村每年大约有10亿吨的农业废弃物（如秸秆、稻壳等）及大量的林业废弃物（木屑）秸秆类生物质除了用于返田以外，还有大量的剩余。因此，若能充分利用生物质的各种热化学转化技术（气化、液化、热解等），将其高效地转化为可利用的洁净的燃料和高附加值的化工原料，不仅能够在一定程度上缓解能源危机，而且可以实现废物再利用。

生物质作为一种相对稳定的可再生资源，具有储量巨大、硫和氮及灰分含量低的特点，同时在生物质能生产和利用过程中二氧化碳净排放值为零。基于生物质独特的形成过程，生物质能既不同于常规的矿物能源，又有别于其他新能源，而是兼有两者的特点和优势，是最主要的可再生能源之一。在当今能源需求和环境保护的时代背景下，寻找洁净的可再生能源日益成为优先考虑的课题，生物质能以其独特的优势受到了研究者们广泛的重视。

生物质是由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组成物以及一些可溶于极性或非极性溶剂的提取物组成。三种主要组成常常被认为独立地进行热分解，而且半纤维素和纤维素主要产生挥发性物质，木质素主要分解为炭。

2. 国内外研究现状分析

Caballero等研究了在温度为450～900℃范围、加热速率为20℃／ms实验条件下Kraft木质素的热解情况，主要的气态产物为甲醇、甲醛、乙醛、乙酸和轻质碳氢化合物。另外还包括CO，CO₂和H₂0，在碳氢化合物中，量最大的依次为甲烷、乙烯和苯，在500℃以上产量迅速增加。Alen等研究了软木木质素的热解机理，发现炭产量从400℃的70％减少到1000℃的20％，挥发物质中主要包括香草醛和邻甲氧基苯酚(400℃)、芳香烃和苯酚(1000℃)，苯磷二酚(600～800℃)。Nunn等采用屏式加热器研究碾碎的木头木质素在300～l100℃的热解机理，在产物中发现了甲醇、甲醛、乙醛和乙酸(300～1100℃)，这与Caballero等的结果类似。Iatridis和Gavalas报道了Kraft木质素在屏式加热器、温度为400～700℃的热解机理，也有类似结果。

我国在生物质热解机理研究方面也取得了很大的进展。东南大学的赖艳华等采用热重分析法研究了加热速度、温度、加热时间等对秸秆类生物质热解过程的影响，建立了秸秆类生物质的反应动力学方程。何芳等对几种生物质热解反应动力学模型进行了比较分析，主要考察了三种模型对小麦、玉米秸秆的预测结果和实验结果的吻合程度。浙江大学的谭洪等在自行研制的热解机理试验台上系统研究了金属盐对生物质热解的影响规律，结果表明，钾离子对生物油中的一些大分子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。同时，一些新的研究方法也运用到了热解机理的研究中，如上海理工大学的蔡均猛等采用了直接搜索全局优化方法．模式搜索法求解复杂机理模型的动力学参数，取得了很好的效果。清华大学的唐松涛等采用混沌神经网络模拟生物质的热解规律。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

1. 使用仪器对木质素进行详细分析以确定木质素的元素组成及主体结构。

2. 研究木质素的热解规律，确定热解区间的特征温度（即动力学计算的温度范围），以及在每个范围的失重比例。

4. 研究创新点

工业木质素主要来源于制浆造纸工业的废液，其中只有很少一部分得到有效利用，浪费了大自然恩赐给我们的这一大宗资源。事实上，这还不仅仅是浪费资源的问题，人们在利用纤维素的同时，产生了大量的作为废弃物的木质素，造成了日益严重的环境污染问题。对木质素的热解进行研究，不仅有利于充分利用废弃资源，还能减少环境污染，为我国实施人与自然和谐相处的可持续发展计划起到举足轻重的作用。

木质素是一种复杂的、非结晶性的、三维网状酚类高分子聚合物，以苯丙烷为主体，有丰富的羟基和甲氧基支链。由于木质素的结构复杂多变、不易获得，所以针对它的热裂解研究工作开展的比较少。结构上的明显差异导致了它热裂解规律的不同，因此了解木质素的热裂解规律对探索生物质的热裂解机理的意义是不言而喻的。