CN104178188A - 一种降低稻壳热解活化能的方法 - Google Patents

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张鹏
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Abstract

本发明公开了一种降低稻壳热解活化能的方法。属于能源技术领域，选取武运粳7号稻壳作为实验原料，利用非等温法分别对纯稻壳和掺入适量氧化铝的稻壳进行热解实验，并对实验数据进行动力学分析。通过实验和数据分析发现，掺入氧化铝粉末能够降低稻壳热解反映的活化能，使反映更加容易进行，同时在相同的热解程度下，使反映温度降低，从而降低设备的要求。

Description

一种降低稻壳热解活化能的方法
技术领域
本发明涉及一种降低稻壳热解活化能的方法，属于能源技术领域。
背景技术
稻壳是重要的农业废弃物之一，仅中国每年就有约4000万吨的产量。作为一种可再生的生物质资源，稻壳通常用作燃料直接燃烧以提供热量，但利用品位相对较低。热解是目前生物质研究的热点技术之一，通过热解，可以将稻壳转化为高品位的可燃气和易存储、运输且能量密度高的焦油，以及工业上需求量很大的活性炭和具有高附加值的无定形二氧化硅。
热解是指在没有含氧气体介质参与的情况下，单纯利用热使生物质中的有机物发生分解从而脱除挥发性物质，并形成固态半焦或焦炭的过程。热解产物包括气体、液体和固体三种，其中气体可直接用作燃料；液体可通过进一步分离和提取制成燃料油和化工原料；固体可用作化工生产所需的活性炭等。
反应温度、升温速率和气体停留时间等外部条件以及生物质化学组分、粒径大小和导热性能等内部条件都会对生物质热解特性以及各相产物的最终产率、组分和比重产生影响，我国目前已基本掌握稻壳热解的基本特性，但对于如何提高热解程度的研究还相对较少，因此制备具有催化热解作用的催化剂是热解研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低稻壳热解活化能的方法。选取武运粳7号稻壳作为实验原料，利用非等温法分别对纯稻壳和掺入适量氧化铝的稻壳进行热解实验，并对实验数据进行动力学分析。通过实验和数据分析发现，掺入氧化铝粉末能够降低稻壳热解反映的活化能，使反映更加容易进行，同时在相同的热解程度下，使反映温度降低，从而降低设备的要求。
实现本发明的技术方案为：
一种降低稻壳热解活化能的方法，所述催化剂为氧化铝粉末，粒径为≥100目。实验材料为武运粳7号稻壳，利用粉碎机将其粉碎成粒径≤1mm，在105℃下干燥24h。实验在恒久差热天平下进行。
本发明中过加入氧化铝粉末用于稻壳的催化热解，具体步骤如下：
1)将稻壳粉碎，并在干燥箱中干燥得到干燥基，同时筛选出氧化铝粉末；
2)将稻壳和氧化铝粉末混合，并搅拌；
3)分别对催化前后的稻壳进行热解实验研究，并对实验数据进行分析。
步骤1)中，稻壳粉碎粒径为≤1mm，干燥温度为95-105℃，干燥时间为16-24h；氧化铝粉末粒径≥100目。
步骤2)中，氧化铝粉末的质量占稻壳质量的10％-20％。
步骤3)中，实验研究方法为非等温法，即分别以5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min加热样品到700-1000℃；计算催化前后失重率、失重速率以及活化能变化。实验结果分析方法为Coats-Redfern法。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)氧化铝作为催化剂较为廉价，从而催化成本较低。
(2)氧化铝容易获得，无需加工处理，简化催化步骤。
(3)与常规的碱金属催化相比，氧化铝较为稳定，适合多次循环利用。
附图说明
图1稻壳热解TG曲线。
图2稻壳催化热解TG曲线。
图3稻壳的ln[G(α)/T2]-1/RT线性关系图。
图4稻壳催化的ln[G(α)/T2]-1/RT线性关系图。
具体实施方式
一种降低稻壳热解活化能的方法，所述催化剂为氧化铝粉末，粒径为≥100目。实验材料为武运粳7号稻壳，利用粉碎机将其粉碎成粒径≤1mm，在105℃下干燥24h。实验在恒久差热天平下进行。
本发明中过加入氧化铝粉末用于稻壳的催化热解，具体步骤如下：
1)将稻壳粉碎，并在干燥箱中干燥得到干燥基，同时筛选出氧化铝粉末；
2)将稻壳和氧化铝粉末混合，并搅拌；
3)分别对催化前后的稻壳进行热解实验研究，并对实验数据进行分析。
步骤1)中，稻壳粉碎粒径为≤1mm，干燥温度为95-105℃，干燥时间为16-24h；氧化铝粉末粒径≥100目。
步骤2)中，氧化铝粉末的质量占稻壳质量的10％-20％。
步骤3)中，实验研究方法为非等温法，即分别以5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min加热样品到700-1000℃；计算催化前后失重率、失重速率以及活化能变化。实验结果分析方法为Coats-Redfern法。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
制取粒径≤1mm的稻壳，在105℃下进行干燥，干燥时间为24h，称取5.0mg稻壳和1mg氧化铝粉末，充分混合后加入差热天平中，利用非等温法分别以5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min加热样品到1000℃，得到失重曲线，并分别求出失重曲线曲线，如图1和图2。
通过两图比较可知，当纯稻壳失重达到平稳时失重约为59％-65％，此时的温度约为390℃，而加氧化铝催化的稻壳的失重约在59％-62％左右时，最低温度在360℃左右，实验说明加氧化铝能够使稻壳热解温度降低，从而降低设备要求。
利用Coats-Redfern法计算催化前后的活化能，其积分形式为ln[G(α)/T2]＝ln[(AR)/(ΒE)]-E/(RT),做出ln[G(α)/T2]-1/RT关系曲线，如图3和图4，其斜率即为活化能E。
根据计算得出，稻壳热解的活化能84.24KJ/mol，加氧化铝催化的稻壳热解的活化能为72.88KJ/mol。实验得出通过加入氧化铝的催化，使得稻壳热解的活化能降低了13.5％左右，使反应更加容易发生，有利于工业上的大规模生产。
实施例2
制取粒径≤1mm的稻壳，在95℃下进行干燥，干燥时间为16h，称取5.0mg稻壳和2mg氧化铝粉末，充分混合后加入差热天平中，利用非等温法分别以5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min加热样品到800℃，得到失重曲线，并分别求出失重曲线曲线。
实施例3
制取粒径≤1mm的稻壳，在100℃下进行干燥，干燥时间为20h，称取5.0mg稻壳和1.5mg氧化铝粉末，充分混合后加入差热天平中，利用非等温法分别以5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min加热样品到900℃，得到失重曲线，并分别求出失重曲线曲线。

Claims (5)

1.一种降低稻壳热解活化能的方法，其特征在于，通过加入氧化铝粉末用于稻壳的催化热解，具体步骤如下：
1)将稻壳粉碎，并在干燥箱中干燥得到干燥基，同时筛选出氧化铝粉末；
2)将稻壳和氧化铝粉末混合，并搅拌；
3)分别对催化前后的稻壳进行热解实验研究，并对实验数据进行分析。
2.根据权利要求1所述的降低稻壳热解活化能的方法，其特征在于，步骤1)中，稻壳粉碎粒径为≤1mm，干燥温度为95-105℃，干燥时间为16-24h；氧化铝粉末粒径≥100目。
3.根据权利要求1所述的降低稻壳热解活化能的方法，其特征在于，步骤2)中，氧化铝粉末的质量占稻壳质量的10％-20％。
4.根据权利要求1所述的降低稻壳热解活化能的方法，其特征在于，步骤3)中，实验研究方法为非等温法，即分别以5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min加热样品到700-1000℃；计算催化前后失重率、失重速率以及活化能变化。
5.根据权利要求4所述的降低稻壳热解活化能的方法，其特征在于，实验结果分析方法为Coats-Redfern法。
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