麦秆酶解残渣热解特性及动力学分析

第3卷第2期新能源进展Vol.3 No.22015年4月ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGYApr. 2015文章编号: 2095-560X (2015) 0-0088-05麦秆酶解残渣热解特性及动力学分析*赖喜锐12，黄艳琴叶，周肇秋',阴秀丽'，吴创之1(1.中国科学院广州能源研究所，中国科学院可再生能源重点实验室，广州510640; 2.中国科学院大学，北京10090)摘要:对比分析了麦秆及其酶解残渣的基础物化特性,利用热重-红外联用技术研究了酶解残渣的热解反应过程及其主要气体产物的析出特性，并用混合反应模型计算了酶解残渣热解过程的表观动力学参数。结果表明,麦秆酶解残渣是一种富含木质素的高灰分、低热值的生物质原料，与麦秆原料相比,其热解过程相对平缓，主要失重温度区间为200C ~ 800%，最大失重峰为350心，与木质素的热解特性相近;提高升温速率可以使酶解残渣热解反应剩余产物质量明显减少，最大失重速率提高;热解主要气体产物中CH4析出的温度区间为400 ~ 700C, CO和CO2在380C、450C和650C都存在析出峰。动力学分析结果表明，酶解残渣热解过程在低温区(200C ~ 350C)和高温区(350C ~ 800C)分别遵循一级和二级反应动力学规律。关键词:麦秆;酶解残渣;热解;热重红外联用中图分类号: TK6文献标志码: Adoi: 10.3969/j.ssn.2095-560X.2015.02.002Pyrolysis and Kinetics Analysis of Wheat Straw Enzymolysis ResidueLAI Xinui'2, HUANG Yan-qin', ZHOU Zhao qiu', YIN Xiu-li', WU Chuang-zhi'(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Istite of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Bejing 100049, China)Abstract: The physicochemical characteristics of wheat staw and is enzymolysis residue were analyzed, and then thepyrolysis behavior of the residue was investigated with TG-FTIR. Kinetic parameters were calculated based on a mixedreaction model. Analyses ilustrated that the wheat straw residue was a kind of low heating value biomass fuel which wasrich in inorganic compounds, and the main organic component was lignin. TG curves showed most weight-losing of theThe pyrolysis process of the residue was similar to that of lignin and slower than that of wheal straw. It was also found thatincrease of heating rate resulted at higher reactivity and less remaining solid products. FTIR resuts showed that CH4released during 400°C ~ 700°C, and releasing peaks of CO and CO2 occurred at temperature of 380°C, 450°C and 650°C. Itwas first order reaction at the lower temperature range of 200°C ~ 350°C and second order reaction at the higher range of350°C ~ 800°C.Key words: wheat straw; enzymolysis residue; pyrolysis; TG-FTIR0引言和酶解残渣，由于水解反应过程不同，残渣的成分和热解特性有一定的差别。水解残渣的热解特性有2010年,中国的生物乙醇产量已达21.5亿L"。.别于普通生物质，对其热解特性的研究有助于实现生物乙醇生产过程中，木质纤维素水解会产生大量其在热解气化方面的有效利用。黄艳琴、邱泽晶、残渣废弃物，这些水解残渣富含有机物，易腐烂变魏志国等[3-6]研究了玉米芯酸解残渣及其木质素热质造成污染，目前其主要处理方式为直接焚烧4,能解特性，认为残渣木质素热解反应机理可以由两段量利用率低，通过热解气化工I艺处理可提高其经济-阶反应模型描述;张斌7对木粉酸水解残渣的热和环境效益。解特性进行了系统研究，从物料构成特点的角度解按水解工艺不同,水解残渣可以分为酸解残渣释了其热解特性;目前对酶水解残渣热解特性的研*收稿日期: 201411-29基金项目:国家自然科学基金(51176194);“十二五” 国家科技支撑计划项目( 2012BAA09B03);广东省战略新兴产业项目( 20120300010↑通信作者:黄艳琴, E mail: huangyq@ms gic.ac.c第2期赖喜锐等:麦秆酶解残渣热解特性及动力学分析89究未见报道。热解气体经N2吹扫进入傅里叶红外光谱仪( FTIR,本文在分析麦秆及其酶解残渣基础物性的基础美国Thermo Scientific公司, Nicolet 6700),扫描范上，利用热重-红外联用( TG-FTIR)技术对比研究围为400~4000 cm-',分辨率为0.4 cm。了麦秆和其酶解残渣的热解过程及主要产物析出的特性，并对其热解特性进行了动力学分析，为酶解2结果与讨论残渣的热解利用提供基础数据。2.1酶解残渣的基础物性分析1实验部分表1列出了麦秆及其酶解残渣的组分、元素、工业分析结果及热值。从表1可以看出，与麦秆原.1 原料本实验所用原料为麦秆及其经酶水解发酵制取料相比，酶解残渣中纤维素与半纤维素含量大大降乙醇过程中的固体残余物(以下简称“酶解残渣”),低，有机成分主要为木质素，含量达53.34%，远高于麦秆原料的13.25%。由河南某燃料乙醇企业提供。表2为XRF分析结果，与麦秆相比，酶解残渣.2 工业分析、元素分析和组分分析中Al、Si、K、Ca、Fe元素含量较高，灰分含量高工业分析方法参照GB/T 28731-2012。元素C、达25.14%。有研究表明89),灰渣在1 000C以上有H、N、s的含量通过元素分析仪(德国Elementar可能形成一些低温共熔化合物，导致大量结渣，这公司, EL CHNS )进行测量。依照GB/T2677.10-1995、在酶解残渣热解气化利用中是一个值得关注的问GB/T2677.8-1994以及硝酸-乙醇法测定组分含量。题。从图1的XRD分析结果可以看出，酶解残渣灰利用X射线荧光光谱仪( XRF ,荷兰PANalytical分中主要含有SiO2、K(AISizO8)等化合物。公司,AXIOSmAX- PETRO )和X射线衍射仪( XRD,荷兰PANalytical公司，X'Pert Pro MPD )分析灰分1000 t的组成。80001.3 热重红外分析借助TG-FTIR技术对麦秆及其酶解残渣热解特60002 K(AIS,0)性进行分析，热解实验在德国NETZSCH公司生产22的STA449C/PC热分析仪上进行,样品质量约10 mg,以高纯N2 ( 99.999 5%，流量为40 mL/min )为载气，2000以保持炉内为惰性气氛，同时能及时将热裂解生成204060的挥发性产物带离样品，减少由于二次反应对试样200)瞬时重量带来的影响。升温速率分别设为10C/min、图1酶解残渣灰分的 XRD分析209C/min、30C/min,热解终温为950并恒温30 min。Fig. 1 XRD analysis of the residue表1麦秆及 其酶解残渣的物性分析( dry%)Table 1 Properties of wheat straw and its residue (dry%)Ultimate analysisProximate analysisHHVCellulose Hemicellulose LigninNsVFCM (MJ1kg)Wheat40.5224.3413.25 46.17 5.79 40.10 0.45 0.16 76.15 16.52 7.33 4.36 17.85strawResidue12.964.3653.34 41.24 5.82 25.07 2.7351.36 23.50 25.14 9.72 16.27表2麦秆及其酶解残渣XRF分析(wt% )Table 2 XRF analysis of wheat straw and its residue (w1t%)ElementAlKCFMgPWheat straw2.490.090.390.030.600.250.160.434.170.701.751.710.420.400.450.9790新能源进展第3卷2.2酶解残渣 的热解特性图3b中麦秆的DTG曲线在290C处有-个肩峰,而2.2.1升温 速率对酶解残渣热解过程的影响酶解残渣的肩峰发生在230C附近，由于该肩峰是图2给出了酶解残渣在3个不同升温速率下的由生物质三组分各自热解的峰叠加形成16,17,酶解TG及DTG曲线，可以看出,酶解残渣从160°开始残渣的肩峰前移与其木质素含量高、纤维素含量低失重，主要失重温度区间为200 ~ 8009,在350C的测试结果相符。由图3b可以看出，酶解残渣最大附近出现最大失重峰,温度升高到600C后, DTG趋失重速率约为4%/min,麦秆最大失重速率约为近-条水平直线。其热解过程与木质素相似10-13]。随16%/min。升温至950C时麦秆的热解剩余产物为着升温速率的增大，反应最终的剩余产物减少，这25%，酶解残渣热解剩余产物为40%， 与酶解残渣可能是因为当升温速率增大时，样品进- -步 分解为高灰分高木质素含量的特点相符。小分子物质,使固体剩余物减少415。002麦秆(a-。-酶解残渣80--10°C/min-0- 20'C/ming6080←30°C/min含7040-2 605020200 400 “00 800 1000TCC)4(b)。200 400 600800 1000r(C)4-(b安，8- +麦秆一0-酶解残渣5-12- -10'C/min16--0- 20'°C/min一- 30'C/min0 200 400 600 800 1000T(C)图3麦秆及其酶解残渣的 TG及DTG分析( 20C/min )Fig. 3 TG and DTG curves of wheat straw and the residue2040006000 800 10002.2.3 TG-FTIR 分析图2酶解残渣的 TG(a)及DTG(b)分析图4为麦秆及其酶解残渣在20C/min升温速率Fig. 2 TG and DTG curves of the residue下逸出产物的红外谱图，由图4a、4b可以看出残渣2.2.2麦秆及其酶解残渣的TG及DTG比较产物析出分布时间较宽，与热重结果-致。图3为20C/min升温速率下麦秆及其酶解残渣图4c~4e分别给出了主要热解产物CO的TG及DTG曲线。有研究表明，生物质的热解失(2 180 cm-')、CO2( 2360 cm-1 )和CH4( 3016 cm-')重速率曲线可以分解成4个相互叠加的拟合峰，分的变化曲线图。麦秆及其残渣在热解过程中产物别对应水分析出、半纤维素分解、纤维素分解和木CH4的释放比较相似，主要集中在400C ~ 700C，质素分解"4。由图3a可以看出，麦秆热解温度区间在580C附近达到峰值，主要是由热解产物的重整主要为200C ~ 600C,在300C ~ 400C区间纤维反应产生;麦秆的CO和CO2的析出峰在380C附素大量分解，样品迅速失重，在335C左右形成- -近，与热重曲线的最大失重峰基本同步，主要是由个明显的失重峰;酶解残渣的主要成分为木质素,热纤维素、半纤维素中不稳定的小基团发生断裂生成;解过程相对平缓,有20%的失重发生在600C以后。酶解残渣的Co和CO2除了在380C附近析出,还在第2期赖喜锐等:麦秆酶解残渣热解特性及动力学分析91450C和650°C处出现峰值,其中在2509C ~ 500C区500C ~ 800C区间的析出主要由木质素官能团上羟间的析出主要由自纤维素、半纤维素热解产生，在基、羰基的断裂和重整反应产生18.19]。Absorbance (Abs)0.200.100.0050.030003000 ,200020.0Wavenumbers (cm )0.0 Time (minutes)Time (minutes)1000~(a)麦秆(b)酶解残渣--酶解残渣一麦秆-o-酶解残渣一-酶解残渣-麦省0200 400 600 800 1000 .0200 400600 800 10000200400600 800 1000T(C)(c)2 180cm-+(CO)(d) 2360 cm-' (CO2)(e) 3016cm~' (CH4)图4麦秆及酶解残渣热解红外谱图Fig. 4 FTIR of wheat straw and the residue表3酶解残渣热解动力学分析Table 3 Kinetics analysis of the enzymolysis residue pyrolysis process200C ~ 350C350C ~ 8000Heating rateWeight remain (%)40/min E/(kJ/mol)Adj. R2A0/minE/(kJ/mol)109C/min43.234.6522.900.9694.7827.810.97420C/min32.995.7722.030.9883.5324.530.96030C/min27.166.6921.170.9972.0218.590.9802.2.4酶解 残渣热解动力学分析即可得一条直线，其斜率为-EJIR,截距为ln4o/B,本文采用混合反应模型[18计算酶解残渣的热解由此即可求出活化能Ea和指前因子Ao。反应动力学参数:拟合结果如图5,酶解残渣热解过程可以分为两段，在低温段200C ~ 350C为- -级反应，活化能"(1-x)"dTkx_=Ink= In+(-号)为21 ~ 23 kJ/mol; 在高温段3509C ~ 800C为二级反应，活化能为18 ~ 28 kJ/mol。可以看出酶解残渣式中，x为转化率; β为升温速率，C/min; n为活化能数值较低，与木质素相1近10111。动力学分反应级数; k为反应速率常数; Ao 为指前因子,析计算结果如表3。加热至950C并恒温30 min后，min~'; Es 为反应活化能，kJ/mol; R为通用气体酶解残渣热解反应剩余质量基本恒定。在10C/min、常数，kJ/ (mol:K); T为反应温度，K。20C/min、30C/min升温速率下，剩余质量分别为在一定温度范围内，指前因子Ao 和活化能E。43.23%、32.99%、27.16%，可见提高升温速率能促为常数，选取合适的反应级数n，以Ink对1/T作图进酶解残渣热解，反应剩余产物明显减少。Fushimi新能源进展第3卷等"5)认为升温速率提高容易使残渣热解过程产生较参考文献:多的孔隙结构，有利于热解反应的进行。1] 杨利平，蔡水文,罗玲,等.生物乙醇生产及纤维素酶的开发进展[],西部资源, 2012, (03): 132-134.-5.0p2] Eriksson G Kelstrom B, Lundqvist B, et al.Combustion of wood hydrolysis residue in a 150 kW10"C/minpowder burner[J]. 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Industrial & Engineering Chemistry Research.一个需要注意的问题。2003, 42(17): 3922-3928.(2)酶解残渣的热解特性与木质素相近，主要失[16] 黄娜， 高岱巍，李建伟，等生物质三组分热解反应及重温度区间为200C ~ 800C,最大失重峰在350C动力学的比较[].北京化工大学学报(自然科学版),[17]2007, 346): 16-20.附近，600C ~ 800C区间内失重速率基本不变。热李睿，金保异,仲兆平,等高斯多峰拟合用于生物质热解气体产物中，CH4析出的温度区间为400C ~解三组分模型的研究[].太阳能学报2010, 31(7): 22-26.700，CO和CO2在380°C、450C和650C都有析[18]王凯歌. 木质素热裂解行为的试验研究[D].浙江:浙江大学, 2010.出峰。与麦秆原料相比，酶解残渣热解温度区间较[19]郑赞.基于组分分析的生物质热裂解动力学机理研宽,失重过程相对缓慢，热解剩余固体产物较多。究[D].浙江:浙江大学, 2006.(3)升温速率对酶解残渣热解过程有- -定的影响。提高升温速率可以使酶解残渣热解反应剩余产作者简介:物明显减少。酶解残渣热解过程可以用- -段- -级反赖喜锐(1985-),男，博士研究生，主要从事生物质热化学应和一段二级反应来描述，在200% ~ 350区间为转化研究。-级反应，活化能为21 ~ 23 kJ/mol; 在3509C ~黄艳琴(1983-)，女，博士，副研究员，硕士生导师，主要800C区间为二级反应，活化能为18 ~ 28 kJ/mol。从事生物质热化学转化利用研究。