【摘 要】
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木质素作为植物界中储量仅次于纤维素的生物质资源,除了存在于木质纤维素类生物质中,还常产生于多种工业生产过程,如纤维素乙醇工厂产生的废弃木质素残渣。为了实现木质素高值化利用和提高纤维素乙醇工艺的经济性,本论文按照热解机理研究-热解产物分析-联产工艺构建的思路对木质素热解利用和纤维素乙醇耦合工艺进行了技术经济性研究。主要研究内容如下:（1）采用热重分析方法对木质素热解特性和动力学进行了研究,揭示了木质
【基金项目】
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河北省自然科学基金（E2020202006）；
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木质素作为植物界中储量仅次于纤维素的生物质资源,除了存在于木质纤维素类生物质中,还常产生于多种工业生产过程,如纤维素乙醇工厂产生的废弃木质素残渣。为了实现木质素高值化利用和提高纤维素乙醇工艺的经济性,本论文按照热解机理研究-热解产物分析-联产工艺构建的思路对木质素热解利用和纤维素乙醇耦合工艺进行了技术经济性研究。主要研究内容如下:（1）采用热重分析方法对木质素热解特性和动力学进行了研究,揭示了木质素热解过程动力学参数。实验结果表明:200～500℃为木质素热解主要阶段,在5℃/min的升温速率下最大热失重速率为0.71%·℃-1;500℃之后热重曲线趋于平缓,热解反应基本结束。使用等转化率模型和多峰拟合模型计算了木质素热解过程中的动力学参数。计算结果显示:随着热解温度升高,木质素热解活化能从178 k J·mol-1升至263 k J·mol-1,最佳机理函数为随机成核和随后生长机理函数。（2）利用热重-红外-气质联用技术对木质素热解过程中逸出气的组成成分进行了研究,揭示了木质素热解产物形成机理。热解过程逸出气在3565、2950、2367、2182、1775和1103 cm-1波数有明显的红外吸收光谱,分别对应于H2O、CH4、CO2、CO、含C=O键的化合物和含氧单键化合物。其碳数分布主要在C5～C8范围内,随着热解温度从275℃升高到350℃,C5～C8化合物在逸出气中的含量从24.99%升至38.31%。热解逸出气中有机化合物类型主要为酚类、酸类、芳香族类化合物。酚类化合物主要由苯酚和愈创木酚构成,随着热解温度从275℃升高到350℃,酚类化合物在热解逸出气中的含量从24.26%升至38.18%。木质素的热解是一个复杂的热化学过程,包括一次热解反应、二次热解反应、聚合反应和碳化反应。木质素热解得到的生物炭产率为47.46%,其固定碳和灰分含量分别为83.58%和5.66%,是制备活性炭的优良前驱体。（3）为了评价木质素热解在纤维素乙醇工厂中的应用潜力,本文构建了纤维素乙醇联产生物炭工艺（B工艺）、纤维素乙醇联产生物炭和碳氢燃料工艺（C工艺）,并与传统纤维素乙醇工艺（A工艺）进行了技术经济性研究。结果表明:在2000 t/d的进料规模下,A、B、C三个工艺的最低乙醇售价分别为427.96$/m~3、441.16$/m~3、393.61$/m~3。当生物质价格上涨25%时,A、B、C三个工艺的最低乙醇售价分别上涨至459.66$/m~3、472.86$/m~3、425.31$/m~3,生物质价格对乙醇生产成本影响较大。
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