不同生物质样品在惰性和氧化性气氛中的热分解：动力学模型与过程参数

《BioEnergy Research》：Thermal Decomposition of Various Biomass Samples in Inert and Oxidative Atmospheres: Kinetic Models and Process Parameters

本研究通过热重分析（TGA）探究了松树、橙树、橄榄树修剪枝及杏仁、开心果壳的热解行为，在惰性与氧化气氛下，以5-20℃/min升温速率分析不同生物质成分（半纤维素、纤维素、木质素）的分解阶段及动力学参数。发现半纤维素含量高的杏仁、开心果壳更早出现热解峰，而松树、橙树和橄榄树修剪枝在320-380℃呈现单一纤维素分解峰。活化能随转化率α增加而升高，Coats-Redfern模型显示D系列模型适用于半纤维素分解，F系列模型适合纤维素和木质素降解。

　　

摘要

本研究采用热重分析（TGA）方法，在惰性和氧化性气氛中，以5–20°C/min的加热速率，研究了橙树修剪残渣、橄榄树修剪残渣、杏仁壳、开心果壳和松树修剪残渣的热行为及燃烧特性。研究结合了无模型动力学方法（Flynn–Wall–Ozawa、Kissinger–Akahira–Sunose和Friedman）与Coats–Redfern反应模型，以阐明动力学参数和反应机理。观察到了不同的热分解阶段，这些阶段对应于半纤维素、纤维素和木质素的依次降解过程。各材料的热分解特征差异与其木质纤维素组成密切相关。杏仁壳和开心果壳由于含有较高的半纤维素含量，表现出更早的挥发过程和明显的半纤维素分解峰；而松树修剪残渣以及橙树和橄榄树修剪残渣则在320–380°C附近呈现单一的、明确的分解峰，这反映了结晶纤维素的主导分解过程。通过参考方法分析了这些材料的点火温度和燃尽温度，发现其变化受生物质类型、加热速率和实验方法的影响，其中杏仁壳和开心果壳的燃尽温度高于其他材料。随后，利用无模型动力学方法（Flynn–Wall–Ozawa FWO、Kissinger–Akahira–Sunose KAS和Friedman FR）确定了活化能，而Coats-Redfern方法则为反应机理提供了有益的见解。在热解过程中，活化能（E_a）随转化程度（α）的增加而增加，表明其具有分解阶段的依赖性；例如，对于橙树修剪残渣，活化能从α=0.1时的77.88 kJ mol^?1升高到α=0.9时的246.58 kJ mol^?1（FWO方法）。Coats-Redfern方法揭示了不同生物质组分之间的显著反应差异，其中D系列扩散模型最适合描述水分去除和半纤维素的分解过程，而F系列模型则能够有效捕捉纤维素和木质素降解的复杂性。