生物质热裂解全过程多组分耦合协同作用机理研究

由于生物质结构组成的复杂性，仅根据三大组分热裂解特征的简单叠加，并不能代表真实的生物质热裂解行为。而三大组分间的相互影响在近几年逐渐成为该领域的研究热点，同时也是存在较大争议的理论难题。.基于此，本项目提出了生物质热裂解全过程多组分耦合协同作用机理研究，针对热裂解的不同阶段，在自行设计搭建的辐射加热热裂解机理试验装置和热天平红外联用装置上开展系统的试验和理论研究，探明组分及其热解挥发份在固相、气-固相、气相的相互作用机理，以及它们对于生物质热裂解动力学、挥发份生成和析出特性、热裂解产物产量和成分分布的影响规律，掌握生物质及其组分在热裂解过程中大分子结构和耦合方式的变化规律，建立基于组分分布和耦合方式的生物质热裂解机理模型，形成通过生物质原料组分的优化配比实现产物产量和成分优化调控的新方法，进一步完善生物质热裂解理论。

针对目前生物质热裂解机理研究方面的不足，开展生物质热裂解全过程多组分耦合协同作用机理研究。主要研究内容如下：（1）针对生物质的三大组分，即纤维素、半纤维素、木质素，进行交叉配比，研究组分相互之间对于热裂解动力学、挥发份生成和析出特性的影响规律；（2）根据生物质的组分分析数据，选取典型的组分份额配比合成生物质，研究组分相互作用对于热裂解产物产量和成分分布的影响规律；（3）通过对比研究不同洗涤纤维（含有不同组分）的热裂解行为，以及抽提物对于生物质热裂解特征的影响，揭示组分之间固有的交联结构对热裂解动力学和产物生成的影响规律；（4）对比研究天然生物质及配比生物质的热裂解产物产量和成分分布，揭示生物质的组分分布和耦合方式对于热裂解行为的影响规律；（5）考虑组分之间的相互影响，构建根据三大组分预测生物质热裂解行为的数学方法，并结合实际生物质的成分数据进行验证；（6）对于结构最复杂的木质素组分，深入研究了从不同木种、以不同提取方法获得的木质素的热裂解特征和产物生成机理。.生物质三大组分之间存在着交叉影响：一方面是化学反应的交叉影响；另一方面是物理上的交叉影响，即低温阶段形成的熔融态的半纤维素和木质素覆盖在纤维素表面，阻碍了热裂解挥发份的析出，进而为二次反应的发生提供了足够的时间，生成了分子量更低的挥发份、气体和焦炭。组分之间的相互影响使得生物油的产量降低，而气体和焦炭产量增加。纤维素和半纤维素抑制了木质素热裂解烃类气体的生成。半纤维素强烈地促进了纤维素热裂解过程中2,5-二乙氧基四氢呋喃的生成，并抑制了左旋葡聚糖的生成；纤维素对于半纤维素热裂解过程中乙酸和糠醛的生成有促进作用，而木质素强烈地抑制了它们的生成；纤维素或半纤维素的存在强烈地促进了木质素热裂解过程中酚类物质的生成。在天然生物质中，由于组分之间紧密的结构，这些影响更为强烈。相比于天然生物质，合成生物质热裂解的生物油产量较低，且成分含量具有较大差异。在采用分离的组分预测实际生物质热裂解的产物分布，尤其是生物油成分的含量时，仍需将组分之间的相互影响考虑在内。