生物质热解动力学建模及计算软件开发

摘要

本研究选取六种陆地生物质（杉木、松木、棉秆、麦秆、稻壳和梨叶）为实验原料，利用热重分析仪在氮气气氛下对其热解行为进行了研究，主要考察了升温速率以及六种无机添加剂(NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、NaCl、TiO2和HZSM-5)对三种典型木质纤维素类生物质（杉木、松木、棉秆）热解行为的影响。结果表明随着升温速率的增加，热解温区和最大失重速率对应的温度有上升趋势，而最大热解速率有所降低；四种钠盐化合物均使反应向低温区偏移，碱性越强，初始热解温度和最大失重速率对应的温度越低，且NaOH、Na2CO3和Na2SiO3等三种碱性化合物显著降低了生物质的最大失重速率，促进了热解过程的放热效应。
　　 利用可视化程序语言Visual Basic6.0开发了《热分析动力学计算软件》，相比较传统手工计算方法，使用该软件操作简单，可有效避免计算出错，大大提高工作效率，使实验结果更准确。本文选取软件中FWO法、Popescu法两种经典方法对热分析结果进行动力学计算，求取整体热解动力学参数及确定最佳机理函数，结果显示两种方法计算的活化能基本一致，随着转化率的增加，活化能呈增大趋势。
　　 通过分析生物质热解机理建立多组分热解动力学模型，采用非线性最小平方拟合方法模拟求解生物质热解动力学三组分参数，发现升温速率对其热解活化能几乎不产生影响，可见在所研究的升温速率范围内，热解机理没有发生变化。用该模型对不同添加剂浸渍的杉木、松木和棉秆热分析数据进行拟合结果表明，碱性添加剂的存在使得半纤维素和纤维素热解活化能降低，中性添加剂NaCl对半纤维素和纤维素热解活化能没有明显改变，而表面酸性添加剂(TiO2、HZSM-5)使得两者热解活化能略有增大，所有添加剂的加入对木质素的热解活化能没有发生显著变化。研究发现用该模型计算木质纤维素类生物质的热解动力学参数比整体热解动力学模型更为合理。