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木質(zhì)素熱解的熱重紅外分析儀實驗研究 木質(zhì)素熱解的熱重紅外分析儀實驗研究

木質(zhì)素熱解的熱重紅外分析儀實驗研究

  • 期刊名字:科學技術與工程
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  • 論文作者:車德勇,孫亞萍,孫艷雪
  • 作者單位:東北電力大學 能源與動力工程學院
  • 更新時間:2020-03-24
  • 下載次數(shù):
論文簡介

第16卷第3期2016年1月科學技術與工程VoL. 16 No.3 Jan. 20161671-1815(2016 )03-0225-05Science Technology and Engineering⑨2016 Sci. Tech, Engrg.化學工業(yè)木質(zhì)素熱解的熱重紅外分析儀實驗研究車德勇孫亞萍孫艷雪(東北電力大學能源與動力工程學院,吉林132012)摘要利用熱重紅外分析儀(TG-FTIR)對木質(zhì)素進行熱重分析及主要氣相產(chǎn)物分析;并探討了升溫速率和堿金屬鹽對木質(zhì)素熱解過程的影響規(guī)律。結(jié)果表明:隨著升溫速率的增加,揮發(fā)分析出階段DTG曲線的峰型變寬,熱解起始溫度、 最大失重峰溫均向高溫側(cè)移動;且較高的升溫速率不利于氣相產(chǎn)物的析出。添加碳酸鈉、碳酸鈣和碳酸鉀對木質(zhì)素熱解主反應區(qū)反應速率的影響較小,相比堿金屬鹽的加入量而言,最終熱解固體產(chǎn)物略有增加;同時堿金屬鹽的添加對氣相產(chǎn)物的析出有明顯抑制作用。與其他兩種堿金屬鹽相比,碳酸鈣的加入對600~700 C溫度區(qū)間內(nèi)木質(zhì)素熱解產(chǎn)生的CO和CO2產(chǎn)量有一定的促進作用。關鍵詞木質(zhì)素熱解堿金屬鹽氣相產(chǎn)物中圖法分類號TQ351. 635;文獻標志碼B化石燃料的迅速消耗導致全球能源危機,而生素熱解的分段特征。潭洪等"1對木質(zhì)素熱解過程物質(zhì)作為潔凈能源和高附加值化學品的原料受到廣中的焦油產(chǎn)物進行考察,得到焦油產(chǎn)物的生成機理。泛關注'1。 生物質(zhì)具有儲量豐富、對環(huán)境污染小、目前,關于木質(zhì)素熱解過程中氣體產(chǎn)物的釋低溫室效應等優(yōu)點。然而,要實現(xiàn)生物質(zhì)能源的充放機理的研究還較少,本實驗采用TGFTIR聯(lián)用分利用,熱裂解是重要的技術手段之- -。作為生物技術,對木質(zhì)素的熱解過程及主要氣相產(chǎn)物進行質(zhì)三組分之一的木質(zhì)素雖然含量不高,但熱解過程分析,并深入探討了升溫速率、堿金屬鹽等因素對相對復雜,且可能與生物質(zhì)其余組分有相互作用,所木質(zhì)素熱解失重特性及主要氣相產(chǎn)物的釋放規(guī)律以對木質(zhì)素熱解過程及其產(chǎn)物析出的研究具有重要的影響。意義5。而熱重傅里葉紅外光譜聯(lián)用技術(TGFT-1實驗IR)不僅可獲得物質(zhì)熱分解的失重與溫度關系,還可實時檢測物質(zhì)熱分解氣相產(chǎn)物的組成,因而越來1.1實驗樣品越受到研究者的重視,廣泛應用于化工、能源、材料實驗用原料為SigmaAldrich公司提供的高純等領域度脫堿木質(zhì)素。將原料破碎篩分0.1 mm以下,以針對木質(zhì)素的熱解,已有大量文獻進行了研究,消除熱解試驗中粒徑對熱擴散的影響。在60 C帶姚燕等91利用熱重紅外聯(lián)用儀對木質(zhì)素熱解失重通風的烘箱中烘干16 h,用密封袋封好,于5 C冰箱過程及析出氣體進行研究,分析得到木質(zhì)素熱解過中保存待用。樣品的元素分析、工業(yè)分析見表1。程的活化能等。程輝等10研究了木質(zhì)素熱解過程為考察堿金屬對木質(zhì)素熱解特性的影響,將樣品與中產(chǎn)物半焦官能團的演化規(guī)律,進一一步證明 了木質(zhì)Na2C03、CaCO3和K2C03物理摻混,摻混比為5%。表1木質(zhì)素的元素 分析和工業(yè)分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of lignin and cellulose工業(yè)分析/WAD%元素分析/WAD%樣品MAaVaFCCaHNoSa木質(zhì)素 。10.4518. 3339.8131.4145.654.30_19. 62.920. 081.2 實驗儀器與方法實驗主要采用熱重差熱綜合熱分析儀(瑞士生產(chǎn)的METTLER TGA/STD 1)和紅外光譜儀(美國生2015年9月17日收到226科學技術與工程16卷到900C,采用高純N2作為保護氣體,流量設置為2.2不同升溫速率下木質(zhì)素熱解特性及氣體產(chǎn)物50 mL/min,試樣質(zhì)量在15 mg左右。析出規(guī)律將木質(zhì)素按照不同升溫速率(5 C/min、10 C/2結(jié)果 與討論min、20 C/min. .40 C/min)進行熱解實驗,得到的2.1木質(zhì)素熱解特性及氣體產(chǎn)物析出規(guī)律TG曲線和DTG曲線。圖1為木質(zhì)素在10C/min升溫速率下單獨熱由圖3可知,不同升溫速率下,木質(zhì)素熱裂解的解的TG和DTG曲線。由圖可以看出木質(zhì)素熱解大TG和DTC曲線具有- -致的演化趨勢。升溫速率為致分為三個失重階段,脫除自由水階段、揮發(fā)分析出5C/min時,熱解的主失重區(qū)內(nèi)DTG曲線的峰型不階段和深度熱裂解階段,其三個階段失重率分別為明顯,特別是在熱解后期。隨升溫速率的增加,在揮6%、36%、12%,總失重為54%。在揮發(fā)分析出階發(fā)分析出階段DTG曲線的峰型也隨之變寬,熱解起段可以看出DTG曲線呈現(xiàn)不對稱的肩峰和拖尾,說始溫度、最大失重峰溫均向高溫側(cè)移動,這是因為升明此過程是多個反應綜合的復合反應。溫速率的增加引起木質(zhì)素試樣內(nèi)外之間、試樣外表00第一階段 第二階段 第三階段t .00000面與坩堝間的溫度梯度增大,木質(zhì)素熱解過程產(chǎn)生8C0.0001的氣相產(chǎn)物擴散至外面時,反應室的實際溫度已經(jīng)g 60[V/^升高,從而測得的揮發(fā)分初始析出溫度和峰溫均向-0.00022 40高溫側(cè)移動。TG曲線0000100. DTG曲線-0.0004一5 Cmin-!90-+ 10 'Cmin-!一20 C min-!02004006008001000+ 40 C-min-!1/查70圖1木質(zhì)素熱解TG和DTG曲線60Fig. 1 TG-DTG curves of lignin pyrolysis50圖2顯示了木質(zhì)素熱解過程氣體產(chǎn)物的FTIR,4020400600800 1 000三維譜圖。由圖2可以看出木質(zhì)素在不同熱解階段1/C(a) TG曲線析出的物質(zhì)有很大不同。木質(zhì)素初次揮發(fā)階段0.0000(200 ~550 C )的熱解產(chǎn)物成分較為復雜,主要氣體產(chǎn)物為H2O、CH4、CO和CO2等輕質(zhì)氣體。木質(zhì)素-00000t。-0.000 6與苯環(huán)連接的甲氧基發(fā)生裂解,可生成CO和CH,已-.000 8- 5'C-min-!等小分子氣體;木質(zhì)素部分末端官能團和側(cè)鏈,如末日-0.000 0- 10 Cmin-!-0.001 2端的一-OH 鍵、- C00H 鍵和苯基C- -C 的斷裂,析-0.001 4+40 Cmin!出少量烴類氣體產(chǎn)物和大量含氧化合物,如水、CO-0.0016200400 600和CO2等[21。當熱解溫度繼續(xù)升高,在深度熱解階(b) DTG曲線段(550 ~900 C),析出的主要氣體為CO ,此外繼續(xù)圖3不同升溫速率下木質(zhì)素熱解曲線析出少量CO2。這是因為芳香族化合物到650 C左Fig 3 TG DTG curves of lignin pyrolysis右時基本熱解完全,析出大量CO,苯丙烷基團間的at diferent heating rates醚鍵等斷裂131和揮發(fā)分的二次裂解反應而生成。木質(zhì)素在不同升溫速率下熱解COCO2和CH1 0020290.015吸光度曲線見圖4。由圖可以看出,CO和CO2的起始析出溫度較低且相近,在200 C氣體就開始析出,HO00.. 0.010 :均有一大一小兩個峰,同時還存在肩峰,但二者析出0005峰形差異較大。CO2 在300 C時大量析出,而C0.起始析出溫度較高。CH4的析出在300~750 C溫度區(qū)間完成,有兩個主要生成峰和肩峰。隨升溫速4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000率的增加,氣體的析出溫度及峰值溫度均向高溫方Wavenumbers/cm圖2木質(zhì)素熱解 氣體產(chǎn)物的FTIR三維譜圖向移動,這一-現(xiàn)象與升溫速率對TG、DTG曲線影響3期車德勇,等:木質(zhì)素熱解的熱重紅外分析儀實驗研究2270.030- : A-5 Cmin-1.,00006| + 5 C-min-!005 (- ←5 C-min-!4- 10C-min-!-+10Cmin0.04-一10Cmin20 C-min-!00440 C/min-I0.0340 cminr003-百0015-, 0.02-5 0010-001o 0.0050.000.0001002003004005006007008009000100200300400500600700 800 900(a)CO(b)CO,(e)CH,圖4不同升溫速率氣相產(chǎn)物的吸 光度隨溫度變化Fig4 CO 、CO2 and CH4 release rules of lignin pyrolysis at different heating rates為深入分析木質(zhì)素熱解過程中主要氣體產(chǎn)物100-一lignin :(CO、CO2和CH)的析出規(guī)律,圖5為木質(zhì)素在不9(lignin+CaCO,+ - lignin+Na,CO,80-同升溫速率下熱解過程中氣相產(chǎn)物的累計產(chǎn)率。lignin+K.CO,s 70-由圖可明顯看出,木質(zhì)素熱解氣相產(chǎn)物的累積產(chǎn)60率發(fā)生了明顯變化,隨升溫速率的增大,累積產(chǎn)率50減小,可見,較高的升溫速率對氣體產(chǎn)物的析出40-不利。0400 6008001 000zZ0 5 Cmin-'(細) TG曲線888 10C-min-!3 20 C-min40 Cmin-0.000 1? -0.0002g -00030 Ilignin. lignin+CaCO,-0.0004 t- + lignin+Na,CO,+ - lignin+K.Co,-0.0005 tCOCH,200300 1000圖5不同升溫速率氣相產(chǎn)物的累積產(chǎn)率(b) DTG曲線Fig. 5 The accumulation yield of gas productat different heating rates圖6添加堿金屬鹽的木質(zhì)素熱解TG和DTG曲線Fig. 6 TG DTG curves of lignin pyrolysis loaded2.3不同催化劑下木質(zhì)素熱解特性及氣體產(chǎn)物析alkali metal salt出規(guī)律圖6為添加三種堿金屬鹽和木質(zhì)素物理摻混CH4初始析出溫度較低,含量較高的甲氧基的存在后和木質(zhì)素的熱解失重圖。從圖中可以看出:溫使其在300C就出現(xiàn)了較強的CH,析出峰,而堿金度較低時( <600 C),堿金屬鹽的加入對木質(zhì)素屬鹽的加入明顯降低了CH4的析出峰,說明堿金屬的熱解沒有明顯影響,由于木質(zhì)素的主要熱解失鹽加入不利于CH4的產(chǎn)生。對CO和CO2氣體,添重--般都是在低于600C發(fā)生的,因此,堿金屬鹽加碳酸鈣的木質(zhì)素熱解在650 C出現(xiàn)尖銳的氣體析的添加對木質(zhì)素主反應區(qū)影響較小。但相比較堿出峰,鈣鹽中的礦物質(zhì)在較高溫度下有利于CO和金屬鹽的加人量而言最終熱解固體產(chǎn)物略有增CO2的生成。加。當熱解溫度較高時( >600 C)時,三種堿金如圖8可知,添加碳酸鈉和碳酸鉀后的木質(zhì)屬鹽的添加使得木質(zhì)素的熱解速率明顯高于木質(zhì)素熱解產(chǎn)生的CO、CO2和CH4氣體的最終累積素單獨熱解時的速率,這說明堿金屬鹽對木質(zhì)素產(chǎn)率均較小,雖然鈣鹽促進了某個溫度段CO和CO2的生成,但最終生成總量與木質(zhì)素單獨熱解的高溫裂解速率有一定的促進作用,文獻[ 14]也相比明顯減少。比較而言碳酸鈉和碳酸鉀對木得到了相同的結(jié)論。質(zhì)素熱解氣相產(chǎn)物CO、CO2和CH4的析出抑制228科學技術與工程16卷0.025lignin+CaCO.0.016 FTignin干lignin+CaCo.0.020. lignin- lignin+K ,Co, |。lignin+Na.CO, Alienin+K colignin+CaCO,豈0.015來0.015lignin+ Na,CO,0.0080.010十lignin+K.Co,0.0005. 0.005古0.0040.000010203040506070809002040608/min1/min(a)CO(b)CO(C)CH,圖7不同催 化劑氣相產(chǎn)物的吸光度隨溫度變化Fig. 7 C0 、CO2 and CH, release rules of lignin pyrolysis loaded alkali metal saltzZa ligninbiomass pyrolysis. Fuel ,2001 ;80(5):1765- -17868ligninaCO,4 Yang H P,Yan R,Chen H P,et al. In-depth investigation of biomasslignin+Na.CO,;上0 lignin+K,CO,pyrolysis based on three major components : hermiellulose , celluloseand lignin. Energy & Fuels ,2006 ;20(1) :388- -3935 Eigenmann F, Maciejewski M , Baiker A. Quantitative calibration of3-spectroscopic signals in combined TGFTIR system. ThermochimicaActa ,2006 ;440(1):81- -926 CharlandJ P , MacPheeJ A, Giroux L,et al. Applicaion of TG FTIR[m皿COCO2CH,to the determination of oxygen content of coals. Fuel Processing Tech-nology ,2003 ;81(3)211-221圖8不同催化劑氣相產(chǎn) 物的累積產(chǎn)率7楊昌炎,楊學民,呂雪松,等.分級處理秸稈的熱解過程.過程工Fig.8 The accumulation yield of gas product on lignin程學報,2005;5(4>:379- -383pyrolysis adding alkali metal saltlYang Changyan, Yang Xuemin, La Xuesong, el al. Pyrolysis of strawobtained from stagew ise treatment. The Chinese Jourmal of Process En-3結(jié)論gineering, 2005 ;5(4) :379- -3838楊景標,蔡寧生.應用TCFTIR聯(lián)用研究催化劑對煤熱解的影木質(zhì)素主要熱解溫度區(qū)間為150 ~650 C ,熱解響.燃料化學學報.2006 :34(6):650- -654氣相產(chǎn)物主要有CO CO2和CH4。隨升溫速率的增Yang Jingbiao,Cai Ningsheng. A TC FTR study on catalytice pyrolysis of加,揮發(fā)分析出階段DTG曲線的峰型隨之變寬;熱coal. Journal of Fuel Chenistry and Technology ,006;34(6):650 654解起始溫度最大失重峰溫均向高溫側(cè)移動,氣體產(chǎn)9姚燕,王樹榮,鄭贊,等.基于熱紅聯(lián)用分析的木質(zhì)素熱裂解動力學研究.燃料科學與技術2007;1(13):50-55物的累積產(chǎn)率逐漸減小,表明較高的升溫速率不利Yao Yan, W ang Shurong ,Zheng Yum, e1 al. Kinetic research of lignin于氣相產(chǎn)物的析出。pyrolysis by TGAFTIR analysis. Journal of Combustion Science and堿金屬鹽K2CO3、Na2CO3和CaCO3的加入使木Technology ,2007;1(13):50-55質(zhì)素殘余焦炭產(chǎn)量略有增加,并且對氣相產(chǎn)物的析10程輝,余劍,姚梅琴,等.術質(zhì)素慢速熱解機理.化工學報,2013 ;64(5):1757- -1765出尤其對CH4的生成有明顯的抑制作用。鈉鹽的Cheng Hui, Yu Jian, Yao Meiqin ,et al. Mechanism analysis of lignin加入提高了熱解主反應區(qū)木質(zhì)素的熱解速率,slow pyrolyis. CIESC Jourmal ,2013 ;64(5):1757--1765K2CO3的加入對木質(zhì)素的高溫裂解速率有--定的促11譚洪,王樹榮,駱仲泱,等.木質(zhì)素快速熱裂解試驗研究.浙江進作用。鈣鹽促進了600~700 C溫度區(qū)間CO和大學學報(工學版) ,2005 ;39(5):710- -714Tan Hong . W ang Shurong, Luo Zhongyang ,et al. Experimental studyCO2的生成。比較而言碳酸鈉和碳酸鉀對木質(zhì)素熱of lignin flash pyrolysis. Jourmal of Zhejiang Universily ( Engineering解氣相產(chǎn)物CO、CO2和CH,的析出抑制作用明顯。Science) ,2005 ;39(5):710-71412 Zhang M ,Resende F L P ,Moulsoglou A ,et al. Pyrolysis of lignin extracted參考文獻from praine cordgrass , aspen,and Kraft lignin by Py-GC/ MS and TGA/1張紀莊. 生物質(zhì)能利用方式的分析比較.新能源及工藝,2003;2.FTIR. Joumal of Analytical and Applied Pyolysis ,2012;27(64):2- 7(12):23- -2513 Ferdous D, Dalai A K, Bej s K,et al. Production of H2 and mediumBtu gas via pyrolysis of lignins in afixed bed reactor. Fuel ProcessingZhang Jizhuang. Comparison analysis on mode of biomass energy utili-zation. Energy Engineering ,2003 ;2(12) :23- 25Technology ,2001 ;70(1):9- -264 Kowalski T, Ludwig C, Wokaun A ,et al. Qualitative evaluation of al-2 BuQ,Lei H W ,Zacher A H,et al. A review of ceatalytic hydrodeoxy-kali release during the pyrolysis of biomass. Energy and Fuels ,2007 ;genation of lignin-derived phenols from biomass pyrolysis. Bioresource238科學技術與工程16卷eulaions. Engineering Strueture ,2010;32(10): 3180--319210 Malvar L. Review of statie and dynamice properties of steel reinfor-9 BischoffP H, Perry S H. Compressive behavior of concrete at higheing bars. ACI Materials Jourmal, 1998 ;95(5) :609- 616stain rate. Materials and Structure, 1991 ;24(144):425- -450Progressive Collapse Mechanism Analysis of High- rise Reinforced ConcreteFrame Structure under Blast LoadingTIAN Li2 ,FU Xie-wei'(School of Civil Engineering, Tianjin University' ,Key Laboratory of Coast Civil Structure Safely of Ministryof Education, Tianjin University2 ,Tianjn 300072 ,P. R. China)[ Abstract] In order to investigate the progressive collapse mechanism of the high -rise reinforced concrete framestructure under blast loading ,the progressive collapse of the high rise reinforced concrete frame structure under ex -ternal explosion load were simulated using the ANSYS /LS DYNA sofware. The multi -scale model of the structurewas set up and verified. The frame structure damage was respectively analyzed and collapsed when the explosives inangle column and side column. The process and degree of collapse of the building at the above cases were contras -ted. The results show: multi -scale modeling method can effctively simulate the process of frame structure responseunder blast loading. The target column damage is serious under blast loading,and the target column loss of bearingcapacity. The adjacent structure is damaged because internal force redistribution 。At last, the progressive collapseis happened. The scope of collapse is signifcantly different when the explosives are located in different location[ Key words ] blasthigh- rise buildingsframe structureprogressive collapse :nonlinear analysis(上接第228頁)TG FTIR Experimental Study on Lignin PyrolysisCHE De- yong, SUN Ya-ping, SUN Yan-xue(School of Energy and Power Engineering , Northeast Dianli University ,Jilin 132012,P. R. China)[ Abstract] Thermogravimetric analysis Fourier transform infrared spectromerer (TG-TIR ) was applied to analy-sis the thermogravimetric and main gas products of alkali lignin pyrolysis . The heating rate and loaded alkali metalsalts how to influence lignin pyrolysis processes were studied。The results show that : with the increasing of heatingrate, the DTG curves of volatility phase become wider,the onset temperature and the maximum weight peak temperature move to the higher temperature side. The slow heating rate is of great benefit to gas products. It is foundthat the Na, Ca and K salts additive have a promoting effect on the formation of char,but they get the less C0 andCO2 formation in entire temperature range. Compared to the other salt , the Ca salt has advantage on the product ofCO and CO2 in the temperature range of 600~ 700 C.[ Key words] igninpyrolysisalkali metal saltsgas products

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