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半纤维素高温蒸汽气化微观机理研究

半纤维素高温蒸汽气化微观机理研究

作者：熊家佳长沙理工大学

学位级别：硕士

本课题以生物质高效气化利用技术为研究背景,以半纤维素的模化物木聚糖为研究对象,基于量子化学密度泛函理论（DFT）,采用Gaussian软件研究了半纤维素高温蒸汽气化过程的微观反应机理,采用差热分析技术研究了半纤维素在不同水蒸汽浓度（... 详细信息

本课题以生物质高效气化利用技术为研究背景,以半纤维素的模化物木聚糖为研究对象,基于量子化学密度泛函理论（DFT）,采用Gaussian软件研究了半纤维素高温蒸汽气化过程的微观反应机理,采用差热分析技术研究了半纤维素在不同水蒸汽浓度（20%、40%、60%、80%、100%）氛围下的气化行为,并建立了半纤维素高温水蒸汽气化反应的动力学模型。研究结果对于揭示生物质高温蒸汽气化机理具有重要意义。本文主要研究工作如下:（1）基于密度泛函理论,运用Gaussian软件模拟并优化了半纤维素的分子结构,计算得到了振动频率,获得了稳定态的分子模型及其构型参数,并通过对比红外光谱仪测得的半纤维素分子结构中的基团频率和理论计算的频率验证了所猜测的半纤维素分子结构模型的正确性。（2）设计了半纤维素在高温蒸汽气化（700～1500K）的8条反应路径,并进行了高温蒸汽气化反应的机理研究。采用量子化学密度泛函理论在B3LYP/6-31G（d）水平下对气化反应中各驻点（反应物、中间体、过渡态和产物）分子结构全面优化并且进行振动频率计算。结果表明,路径1、2在所有设定温度下的吉布斯自由能变最小,故路径1、2最容易发生,生成的产物2-糠醛（P1）最多,路径4活化能最低为最佳反应路径。（3）进行了不同参数水蒸汽浓度（20%、40%、60%、80%、100%）的半纤维素气化反应的热重研究,分析了不同水蒸汽浓度对半纤维素气化的影响以及不同水蒸汽浓度下的气化反应动力学特性。研究表明,水蒸汽气氛下半纤维素的的高温气化可分为挥发分析出阶段（190℃90℃）和半焦气化阶段（690℃70℃）两个阶段;半纤维素所需的活化能均随着温度的升高而逐渐增大,半焦气化相对于挥发分析出更难以发生;随着水蒸汽浓度增大,活化能的变化呈现先增大后减小的趋势变化,当水蒸汽浓度从20%增大到40%时,所需活化能由50.24kJ/mol增大到53.18kJ/mol;继续增大水蒸汽浓度到100%时,所需活化能逐渐降低,降到38.55kJ/mol。

关键词：半纤维素高温蒸汽气化水蒸汽浓度密度泛函理论动力学特性

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α-O-4型木质素二聚体裂解机理的研究

兰州大学学报（自然科学版） 2016年第2期52卷 271-276页

作者：罗海银田红唐世斌熊家佳长沙理工大学能源与动力工程学院长沙410004

以α-O-4型木质素二聚体为研究对象,以密度泛函理论B3LYP/6-31G（d,p）为基础,对该木质素二聚体的裂解反应过程进行了分子动力学模拟研究.提出了5种可能的热解反应途径,对各种反应的反应物、产物、中间体和过渡态的结构进行了能量梯度... 详细信息

以α-O-4型木质素二聚体为研究对象,以密度泛函理论B3LYP/6-31G（d,p）为基础,对该木质素二聚体的裂解反应过程进行了分子动力学模拟研究.提出了5种可能的热解反应途径,对各种反应的反应物、产物、中间体和过渡态的结构进行了能量梯度全优化.计算了各热解反应途径的标准动力学参数,分析了主要热解产物的形成演化机理.结果表明：在木质素二聚体的初反应中,R4和R5的反应焓变较小,分别为1.65×10^5、1.36×10^5J/mol,因此C_a-O和C_4-O键也较易断裂.通过计算次反应路径的势垒,发现R4-3和R5-3反应的势垒较小,因此在该裂解过程中会优先选择R4-3和R5-3路径.该反应路径最后得到的产物有苯、苯酚、邻苯二酚、对甲基苯甲醚、甲烷,与实验结果一致.

关键词： α-O-4型木质素二聚体密度泛函理论裂解机理分子动力学模拟

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木质素热裂解特性及动力学研究

西北大学学报（自然科学版） 2014年第6期44卷 923-929页

作者：罗海银田红唐世斌张航熊家佳长沙理工大学能源与动力工程学院湖南长沙410004

利用热重分析仪与气相色谱/质谱联用仪（TG-GC/MS）对木质素进行了动态升温热裂解研究。利用傅里叶变换红外光谱仪分析木质素微观结构,得到不同升温速率下的热重曲线,研究表明,木质素高温热裂解可以分为3个阶段,分别为干燥失水阶段、挥... 详细信息

利用热重分析仪与气相色谱/质谱联用仪（TG-GC/MS）对木质素进行了动态升温热裂解研究。利用傅里叶变换红外光谱仪分析木质素微观结构,得到不同升温速率下的热重曲线,研究表明,木质素高温热裂解可以分为3个阶段,分别为干燥失水阶段、挥发分析出阶段和炭化阶段;随着升温速率的增加,各个阶段的最大失重率所对应的温度均向高温侧轻微移动,并且失重程度也随之增加;升温速率对木质素热裂解挥发分析出阶段机理模型的选择没有影响,其热裂解反应机理是一级反应控制机理,木质素热裂解挥发分析出阶段在不同升温速率下的表观活化能为54~63 k J·mol-1;对TG-GC/MS的联用提出了新的见解,设计加装了空气驱动阀,获得了主要热裂解气体产物CO,CO2,CH4和H2在不同温度下的析出规律。

关键词：木质素热裂解官能团动力学热重-气相色谱/质谱联用仪

β-1型木质素二聚体高温蒸汽气化机理的理论研究

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燃料化学学报 2014年第7期42卷 813-819页

作者：曹小玲张航邓胜祥唐世斌熊家佳罗海银曹孔彬长沙理工大学能源与动力工程学院湖南长沙410004 中南大学能源科学与工程学院湖南长沙410083 广东福迪汽车有限公司广东佛山528200

以β-1型木质素二聚体为研究对象,采用以密度泛函理论B3LYP/6-31G(d,p)为基础的Gaussian工具包对该木质素二聚体的高温纯蒸汽气化反应过程进行了分子动力学模拟研究。结果表明,在木质素二聚体高温蒸汽气化的初反应中,R4和R5的反应焓变... 详细信息

以β-1型木质素二聚体为研究对象,采用以密度泛函理论B3LYP/6-31G(d,p)为基础的Gaussian工具包对该木质素二聚体的高温纯蒸汽气化反应过程进行了分子动力学模拟研究。结果表明,在木质素二聚体高温蒸汽气化的初反应中,R4和R5的反应焓变较小分别为243.9和323.2 kJ/mol,Cα-Cβ键和Cβ-C1键较易断裂。通过计算次反应路径的势垒,发现R4-1和R5-1反应的势垒较小分别为4.4和24.0 kJ/mol,因此,在该气化过程中会优先选择R4-1和R5-1路径。该反应路径最后得到的产物有甲醇、乙醇、苯酚、对羟基甲苯和对羟基苯甲醛,与实验产物吻合。

关键词： β-1型木质素二聚体密度泛函理论高温纯蒸汽气化分子动力学模拟

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木聚糖高温水蒸汽气化特性及动力学研究

应用化工 2016年第1期45卷 11-17页

作者：陈斌斌田红杨继明熊家佳吴艳长沙理工大学能源与动力工程学院湖南长沙410004

采用热重分析仪研究木聚糖在不同高温水蒸汽浓度氛围下的气化行为。研究表明,在水蒸汽气氛下,木聚糖的高温气化可以分为挥发分析出阶段（190～690℃）和半焦气化阶段（690～770℃）;当温度〉700℃时,水蒸汽才能与热解反应完成后的焦炭... 详细信息

采用热重分析仪研究木聚糖在不同高温水蒸汽浓度氛围下的气化行为。研究表明,在水蒸汽气氛下,木聚糖的高温气化可以分为挥发分析出阶段（190～690℃）和半焦气化阶段（690～770℃）;当温度〉700℃时,水蒸汽才能与热解反应完成后的焦炭发生反应,产生CO与H_2,然后进一步反应生成CO_2与H_2,此时水蒸汽才能达到催化反应气化效果;两个区间阶段所需的活化能均随着温度的升高逐渐增大;采用一级二段反应模型作为木聚糖高温水蒸汽气化阶段的动力学模型,理论曲线与实验数据拟合程度良好。

关键词：木聚糖高温水蒸汽气化气化特性动力学特性

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多环芳烃中苯的形成机理研究

四川大学学报（自然科学版） 2015年第2期52卷 363-369页

作者：罗海银曹小玲田红唐世斌张航熊家佳长沙理工大学能源与动力工程学院长沙410004

为了研究多环芳烃中苯的形成过程,设计了3条可能的反应路径,采用Gaussian09中密度泛函的理论和UB3LYP/6-31++G(d,p)基组进行计算,以此为基础对苯的形成过程进行研究.对反应物,产物的几何构型进行优化,通过TS方法寻找过渡态,并用IRC路径... 详细信息

为了研究多环芳烃中苯的形成过程,设计了3条可能的反应路径,采用Gaussian09中密度泛函的理论和UB3LYP/6-31++G(d,p)基组进行计算,以此为基础对苯的形成过程进行研究.对反应物,产物的几何构型进行优化,通过TS方法寻找过渡态,并用IRC路径分析验证了过渡态的可靠性.计算了不同温度下的反应的热力学参数,进行了热力学和动力学分析,结果表明:在不同温度下,路径1,2,3的ΔH均小于零,是放热反应,随着反应温度增加,焓变减少,反应放热增多,且路径1,2的ΔG均小于零,反应可自发进行,随着温度增加,反应物转化率变大,而路径3的ΔG大于零,反应基本不会进行.比较3个反应路径的活化能,所需活化能的大小顺序为1<3<2,因此路径1是最可能的反应路径.

关键词：多环芳烃苯 Gaussian09 密度泛函理论

等离子体气化技术处理城市生活垃圾的研究现状

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现代化工 2014年第9期34卷 26-31页

作者：曹小玲陈建行熊家佳罗海银陈斌斌郑泽华长沙理工大学能源与动力工程学院湖南长沙410114

阐述了国内外等离子体气化技术处理城市生活垃圾的研究现状:国外研究已经从基础研究过渡到商业应用上;国内起步晚,仅有中科院力学所开始研究等离子体气化处理城市生活垃圾。我国有着提高城市生活处理水平的强劲驱动力,在国内采用等离子... 详细信息

阐述了国内外等离子体气化技术处理城市生活垃圾的研究现状:国外研究已经从基础研究过渡到商业应用上;国内起步晚,仅有中科院力学所开始研究等离子体气化处理城市生活垃圾。我国有着提高城市生活处理水平的强劲驱动力,在国内采用等离子体气化处理垃圾的时机已经成熟。

关键词：城市生活垃圾等离子体气化研究现状基础研究商业应用

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半纤维素模化物热裂解特性的实验研究

节能 2015年第11期34卷 18-23,2页

作者：陈斌斌田红何川熊家佳吴艳长沙理工大学能源与动力工程学院湖南长沙410004

利用傅里叶变换红外光谱仪分析木聚糖微观结构,采用热重分析法对木聚糖的热解特性进行实验研究。通过TG和DTG曲线的分析,把木聚糖的热解反应过程分为4个阶段。综合分析热解实验结果发现:30℃/min的升温速率是反应的最佳环境。由分子模... 详细信息

利用傅里叶变换红外光谱仪分析木聚糖微观结构,采用热重分析法对木聚糖的热解特性进行实验研究。通过TG和DTG曲线的分析,把木聚糖的热解反应过程分为4个阶段。综合分析热解实验结果发现:30℃/min的升温速率是反应的最佳环境。由分子模拟计算结果,500K和700K分别对应热解实验的第2阶段和第3阶段;低温时半纤维素的热解反应进行得十分剧烈,主要对应半纤维素支链的断裂;随着温度的升高,半纤维素主链发生分解生成各种产物。实验结果和分子模拟的结果能够较好地吻合。

关键词：木聚糖热解特性分子模拟

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清洁生产审核对热力厂减排增效的对策研究

科技传播 2016年第17期8卷 133-134,160页

作者：熊家佳郭新秋中国检验认证集团湖南有限公司湖南长沙410007 长沙市能源局湖南长沙410013

某热力公司开展清洁生产工作,通过专业机构的现场审核,分析了热力厂能效提升的制约因素,总结了热力厂减排增效的实施对策,并提出清洁生产方案共28项。根据已实施方案,企业首轮审核情况完成良好,氮氧化物、二氧化硫及粉尘等大气污染物也... 详细信息

某热力公司开展清洁生产工作,通过专业机构的现场审核,分析了热力厂能效提升的制约因素,总结了热力厂减排增效的实施对策,并提出清洁生产方案共28项。根据已实施方案,企业首轮审核情况完成良好,氮氧化物、二氧化硫及粉尘等大气污染物也得到了有效控制,一期方案的实施效果已基本达到预期效果。

关键词：清洁生产热力厂减排增效对策