黄松甸木耳菌糠的热解特性分析及动力学研究

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菌糠为种植园采摘结束食用菌后剩余的培养基质,主要由木屑以及少量的麦麸和豆粕组成,隶属于生物质的范畴。具不完全统计,每年全国因食用菌带来的菌糠可达1212万吨。目前,绝大多数的食用菌种植户对菌糠的处理方式并未做到无害化处理,处理方式多为堆积在田间地头或是进行直接燃烧,这不仅是对生态环境的严重污染,也是对可利用资源的一种浪费。本文希望通过对黄松甸木耳菌糠进行基础物化特性分析、热重-红外分析、热裂解实验以及热解产物的品质分析等对菌糠的热解行为进行更深层次的研究,为之后菌糠的综合化、合理化利用奠定相应的数据基础。首先,基于工业分析仪、元素分析仪、X射线荧光光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪等对原样的基础特性进行详尽分析,得到黄松甸木耳菌糠具有挥发分、固定碳高,灰分、硫份含量低的特点,其热值为16158J/g,具有一定的利用价值。其化学组成成分按含量高低为纤维素(43.7%)>半纤维素(29.4%)>木质素(19.3%),样品自身可能是由烃类、醇类、芳香族化合物、含氧官能团的酸类、酚类以及一些脂肪族构成。其次使用热重分析仪对原料在惰性气体N2、升温速率为5、10、20、40℃/min的条件下进行热重实验,结果表明:木耳菌糠的热解大致分为干燥、预热、热解、炭化4个阶段;且随着升温速率的增加,TG和DTG曲线向高温区域移动,热解初温和终温均有所增加,DTG曲线的最大峰值逐渐降低,对应最大失重速率降低。在热解过程中主要气体的温度段大多发生在200~500℃,热解气体主要由H20、CH4、C02、CO等小分子气体以及酸类、醛类、芳香族、醇类等大分子组分构成。随后采用Flynn-Wall-Ozawa、Friedman-Reich-Levi和Kissinger三种等转化率模型计算方法与单一计算法Coats-Redfern法对其表观动力学参数进行对比计算分析,得到黄松甸木耳菌糠的主热解段机理函数满足Avrami-Erofeev方程,属于随机成核和随后成长的机理形式,同时分别计算出主热解段各个升温速率下对应的表观活化能和指前因子,得到主热解段不同升温速率下的热解动力学模型。通过对动力学参数E和lnA的值进行拟合分析,证明在不同升温速率下,E与lnA符合动力学补偿效应。最后利用自行搭建的小型热解装置对样品进行试验,探究不同工况对其热解特性的影响,同时对不同工况下的热解产物进行分析,得到的主要结论有:终温较高生物油中含有的有机物种类要多于低温下生物油中含有的有机物种类;酚类物质在各生物油中含量最高,且种类也最多,含量随温度的变化不大,酸类物质随着温度的升高其含量有下降的趋势。在不同工况下的生物油中,冰醋酸、2,6-二甲氧基苯酚、愈创木酚、香草酸、邻苯二酚、甲基环戊烯醇酮和羟基丙酮这几种有机物的相对含量较高;低温段热解炭表面所含官能团的种类要比高温段更丰富,且多种官能团的强度受终温的影响较大。焦炭的吸附等温曲线类型属于II型吸附等温线,滞后环类型为H4型,其比表面积大小呈现与热解终温正相关的特性。不同终温条件下菌糠热解炭的表面微观结构均较为复杂,低温段焦炭的形貌特征变化较小,高温段焦炭的表面已不具备特定形状,不具有类似玉米秸秆等寻常生物质热解炭表面高度紧密的微孔结构。
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