微藻生物质热解反应动力学的实验与机理研究

Based on the central issue of biomass pyrolysis, three typical microalgae (chlorella, spirogyra and spirulina algae) and their model compounds (glucose, starch and albumin) are selected to be investigated on the distribution of intermediates in these different structure microalgae pyrolysis. Thermogravimetry combination with synchrotron vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometry (TG-SVUV-PIMS) and (GC-MS) are used for isomeric identification and concentration measurements of pyrolysis products, especially active intermediates. According to the kinetic modeling analysis, the decomposition pathway of microalgae are concluded to explain the observation in the experiments. The reaction mechanisms of microalgae pyrolysis are revealed, based on the experiments and modeling analysis, which provides theoretical guidance for understanding of the microalgae decomposition and pollutants formation.

本项目根据目前生物质热解转化的研究热点，计划选取三种典型的微藻生物质（小球藻、水绵藻、螺旋藻）及其模型化合物（葡萄糖、淀粉、白蛋白）进行研究，并探索不同组分微藻生物质对其热解产物分布的影响。采用热重/同步辐射真空紫外光电离质谱技术以及气相色谱-质谱联用技术作为诊断技术，分别完成三类微藻及其模型化合物的活泼和稳定热解中间产物的探测和浓度测量；结合动力学分析，对微藻及其模型化合物的解离路径进行分析，对实验结果进行解释。从而总结三类典型微藻生物质的热解动力学规律，阐释其中的反应机理，为深刻理解微藻生物质分解过程和污染物形成机理提供理论指导。

藻类生物质因其高光合作用效率、高产率以及不占耕地等优点，被认为是有巨大潜力的可再生能源。同时藻类、木质纤维素类生物质也可通过热化学方法转化为作为替代生物燃料重要组分的醇类、呋喃类生物燃料。对于藻类生物质的研究，前人侧重于对其产物分布的分析，对其微观反应机理研究较少。对于呋喃类生物燃料燃烧反应动力学模型，前人的研究缺乏宽压力和宽温度范围实验的验证。.本工作利用同步辐射真空紫外光电离质谱法、色谱-质谱联用法对藻类生物质和呋喃类生物燃料的热解、燃烧反应特性开展一系列的研究，实现实时在线测量其燃烧、热解反应过程的中间产物，研究复杂原生藻类生物质催化热解特性，并发展了呋喃类生物燃料的宽压力、宽温度范围的燃烧反应动力学模型。.本项目研究发现，HZSM-5和HUSY催化剂使微藻热解产物易发生脱氧、环化反应，明显提高了轻质烯烃类、单环芳香烃类以及多环芳香烃类产物信号强度。马尾藻具有较高的灰分，由于灰分中碱金属和碱土金属丰富，使得马尾藻与陆生生物质混合热解时具有明显的协同效应。.呋喃类生物燃料的物理化学性质与汽油相似，是一种有应用前景的生物燃料。本项目对呋喃，2-甲基呋喃(MF)和2，5-二甲基呋喃(DMF)不同支链结构的呋喃类生物燃料开展了变压力热解和层流预混火焰的实验与模型研究。结果发现，三种呋喃类生物燃料的热解过程主要是由单分子解离反应控制的，MF同时具有呋喃和DMF的分解特点。此外，MF和DMF热解过程中都探测到了大量的大质量芳烃产物。通过分析发现，MF热解中产生了较高浓度的炔丙基和C4物种，而DMF热解中产生了大量的苯酚，炔丙基自复合反应和苯酚的取代反应均可以生成较高浓度的苯，这很好地解释了在MF和DMF热解过程中生成了较高浓度的芳烃。较高碳烟前驱体的生成趋势严重限制了呋喃燃料的应用。.本工作得到了审稿人和国内外同行专家的高度评价，肯定了我们对呋喃类燃料热解芳烃生成路径探索的贡献。项目期间共发表SCI论文5篇，其中一区论文1篇，二区论文4篇，包括1篇国际燃烧学顶级SCI期刊Proc. Combust. Inst.；申请发明专利3项，并在第36届国际燃烧会议上做口头报告1次。