典型松树松针热解特性及其机理研究
典型松树松针热解特性及其机理研究
【摘要】： 近年来,随着全球气候变暖以及人类生活范围的扩大,世界森林火灾形势日益严峻。森林火灾由森林可燃物燃烧引发,而热解是森林可燃物燃烧的第一步,是森林火灾发生过程中着的关键环节。对森林可燃物的热解特性及机理进行深入分析,有助于对森林可燃物的着火、燃烧和火蔓延规律进行分析,进而准确评估森林火灾风险,为预防和控制森林火灾的发生提供基础数据及理论支撑。本文选取了两种典型的森林可燃物材料—樟子松松针和鱼鳞松松针作为研究对象,采用热重分析、原位变温红外光谱以及在线热重-红外联用测试,探究了升温速率和环境气氛对上述两种材料的热解特性的影响,计算了热解动力学参数,并通过探究热解气体产物和热解残渣中官能团的变化规律,揭示了热解反应机理。本文的主要结果及结论如下:(1)揭示了升温速率和环境气氛对热解特性的影响:随着升温速率的增大,热失重曲线会向高温区移动,最大质量损失速率减小。对于樟子松松针,氮气气氛和空气气氛下热解全过程的平均质量损失速率分别为0.17%/K和0.20%/K;对于鱼鳞松松针,氮气气氛和空气气氛下热解全过程的平均质量损失速率分别为0.15%/K和0.19%/K。樟子松松针在惰性气氛和空气气氛下的热解过程均可以分为4个阶段;鱼鳞松松针在惰性气氛下的热解过程可以分为4个阶段,而在空气气氛下则可以分为3个阶段。两种松针在空气气氛下残余物的质量均比氮气气氛下的小,在空气气氛下的平均质量损失速率均比氮气气氛下的大。(2)分析了热解动力学:对于樟子松松针,氮气和空气气氛下活化能的平均值分别为220.90 kJ/mol和159.90 kJ/mol。根据热解活化能变化趋势,樟子松松针在氮气和空气气氛下的热解均可以分为4个阶段。对于鱼鳞松松针,氮气和空气气氛下活化能的平均值分别为208.77 kJ/mol和167.53 kJ/mol。鱼鳞松松针在氮气气氛下热解可以分为4个阶段,而在空气气氛下热解可以分为3个阶段。空气和惰性气氛下两种松针热解反应焓变(?H)均与相应的活化能表现出相似的变化趋势。(3)分析了热解过程中的反应机理:两种松针在惰性气氛下的热解反应机理大致相同。在第一阶段内,半纤维素中木聚糖结构单元发生脱水反应转化为呋喃或醛酮类化合物,其侧链发生断裂产生乙酸、醛类、酮类等物质,同时抽提物组分中脂肪酸发生分解,水、CO_2以及含C=O官能团的气体产物开始析出。在第二阶段内,纤维素中频哪醇和半纤维素中木聚糖的羟基官能团发生脱水反应,生成大量的水以及醛类物质;纤维素链的裂解产物、木聚糖以及木质素中苯丙烷侧链的羧基、羰基发生脱羧基、脱羰基反应,生成CO_2和CO气体;同时纤维素以及木质素中甲氧基发生裂解,产生CH_4气体。在第三阶段内,纤维素和半纤维素进一步裂解,羟基发生脱水反应析出大量水;同时与第二阶段类似的脱羧基、脱羰基反应继续发生。在第四个阶段内,松针热解进入炭化阶段,固体产物芳构化产生大量的酮类、苯系和酚系化合物。在该阶段末期,CO_2气体继续析出,H_2O和含C=O类气体随着温度的升高析出量逐渐降低,CO和CH_4气体保持较低水平。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2020
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