摘要
生物质能源是一种重要的可再生能源，具有资源丰富性、应用广泛性、清洁性和CO2中和性等优点，可为我国实现“碳达峰”、“碳中和”战略目标做出重要贡献。热化学转化和物理转化是生物质能源开发利用的主要途径，其应用最广泛的原料是天然林木屑。随着市场规模的扩大和产品应用范围的扩展导致了天然林木屑原料供给的不足，严重制约了生物质能源产业的规模化发展。因此，非常有必要对潜在替代原料进行研究。 本研究选定以代表天然林的松木屑(PS)为参考原料，代表速生林剩余物的桉木屑(ES)、代表食用菌栽培剩余物的菌渣(FVSS)、代表湿地修复植物剩余物的芦竹(AD)和代表中药制药剩余物的中药渣(HR)4种原料为潜在替代原料，研究这5种原料在热化学转化和物理转化过程中的基础特性，主要关注的是慢速热解的动力学和热力学、烘焙固体产物特性、压缩成型机理和木质素磺酸钠(SL)的粘结机理，为潜在替代原料的转化提供基础理论依据。 (1)在热分析仪上进行了慢速热解实验，针对原料3组分同步分解形成的带有肩峰和拖尾峰的重叠峰，本研究采用了解卷积的方法将重叠峰依次解卷积为3个单峰，分别对应原料的半纤维素、纤维素和木质素组分，解决了等转化率法求解动力学参数的不适应性。在解卷积过程中尤其是采用了非对称的双高斯函数，以准确地捕获原料组分的非对称分解过程。解卷积后，采用Starink方法计算了3组分的表观活化能，半纤维素、纤维素和木质素的表观活化能范围分别在147.08-205.04，188.11-323.02，121.46-265.36 kJ·mol-1之间。采用Kissinger方程计算了指前因子，结果都大于E+9 s-1，慢速热解过程发生的是一些简单的复杂化学反应。采用主曲线法确定了原料组分的动力学机理函数，PS纤维素、FVSS半纤维素、AD纤维素的反应机理为F2模型;ES半纤维素的反应机理为F4模型;HR半纤维素的反应机理为D3模型。进一步采用已知的通用方程计算了原料组分的热力学参数焓变、熵变、吉布斯自由能变，慢速热解是吸热、趋于无序性和非自发过程。 (2)在水平管式反应器上进行了烘焙实验，本研究采用元素、工业及高位热值分析的方法来获得固体产物的特性。随烘焙温度或烘焙时间的增加，固体产物Cd元素、灰分、固定碳含量和高位热值都增大;Hd、Od元素和挥发分含量减少;Nd元素含量和脱氮效率先是减少后稍有增大。固体产率和能量回收率减小，但能量回收率大于固体产率，提高了能量密度比。烘焙温度对固体产物特性的影响大于烘焙时间，且在高温阶段(290、320℃)的影响比较显著。AD固体产物整体上表现出了较大的特性变化，具有最低的固体产率、能量回收率和最大的脱氮效率。 (3)在电子万能压力机上进行了压缩成型实验，针对弹-粘-塑性变形阶段粒子变形特性，本研究依据流变学理论，建立了本构模型，通过揭示模型系数（弹性模量、塑性模量、应变硬化指数、粘性系数和摩擦损失系数）与颗粒品质之间的关系，解决了现有模型无法适应粒子变形复杂性的问题。模型系数是施加压力的函数，原料弹-粘-塑性变形阶段起始于压力1 MPa左右，从松散的粉末状态逐渐转变为压紧的固体块状态。模型系数和颗粒品质密切相关，颗粒的初始密度和平均体积膨胀率分别与弹性模量和塑性模量成反比，Meyer强度与粘性系数绝对值成反比。每种原料在水分含量8wt.％和成型温度120℃时获得较高的弹性模量值、粘性系数绝对值和较低的塑性模量值，颗粒具有较佳的品质。 (4)在电子万能压力机上进行了SL添加的压缩成型实验，本研究依据所建立的本构模型，通过获得SL添加量与模型系数变化量之间的关系，从原料粒子机械特性演变的角度阐明了SL的粘结特性。SL的添加提高了颗粒的初始密度和Meyer强度，降低平均体积膨胀率，改善了颗粒品质，其作用机理是在一定条件下增大了原料粒子的弹性模量值和粘性系数绝对值，减小了塑性模量值，但模型系数的改变量和颗粒品质之间的关系，每种有原料自身的特性。 本研究的结果在理论层面为5种生物质的转化过程提供了一些新的和基础的认知，可为实际的转化过程提供一定的理论指导。
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