巴旦木果壳热解特性及动力学研究文献综述
摘要：巴旦木作为生物质能源是一种可再生的清洁能源，作为一种高效生物质能转化途径，热化学转化可获得气、液和固态多种能源产物。其中，热解是热化学转化中最基本的过程，是气化、液化及燃烧过程的初始和伴生反应，对热解的分析有助于热化学转化过程控制及高效转化工艺的开发。热解，是指生物质在隔绝或少量供给氧气的条件下，加热分解的过程，这种热解过程所得产品主要有气体、液体固体三类产品。是一种很有开发前景的生物质应用技术。
关键词：巴旦木果壳，生物质能，热解特性，动力学特性，同步热分析
固体生物质的热解及动力学研究以及其进一步转化是开发利用生物质能的有效途径之一。在生物质热化学转化过程中，热解是一个重要的环节。生物质形态各异，组成多为木质素、纤维素等难降解有机物，与矿物燃料不同，因此生物质热解过程是一个复杂的过程，影响生物质热解的运行参数有终端温度、加热速率、压力和滞留时间等。生物质的组成，结构及其灰成分对热解也都有影响[[1]]。热解动力学是表征热解过程参数对原料转化率影响的重要手段，通过动力学分析可深入了解反应过程和机理，预测反应速率及难易程度，为生物质热化学转化工艺的研究开发提供重要的基础数据[[2]]。研究巴旦木这种生物质作为燃料所具有的特性可为更广泛的利用生物质能提供参考依据。
- 研究背景与意义
巴旦木又称扁桃，是世界四大著名干果之一，营养价值极高。是不可多得的滋补佳品。随着新疆农业产业结构调整，“南园北牧”特色农业发展战略和策略的实施，新疆已将巴旦木作为经济林发展的重点树种，新疆南部地区莎车县和英吉沙县，栽培巴旦木面积约6.67万公顷。随着国家科技支撑计划项目《新疆特色珍稀果树丰产栽培技术》的突破，巴旦木进入盛果期后，可为我区带来数亿元的经济收人，很快将成为新疆的重要创汇产品[[3]]。
生物质坚果壳是加工剩余物，包括开心果壳、杏仁壳、板栗壳、瓜子壳、巴旦木壳等，基本组成成分以纤维素，半纤维素，木质素为主。巴旦木广泛种植于世界许多地区，2015-2016年产季全球巴旦木产量总计达到110万吨，此外我国巴旦木的产量也在持续上升中，其是一种深受消费者喜爱的坚果。巴旦木的果壳同一般坚果壳类似，产量巨大，但是其主要处理方法为丢弃或者焚烧。如此巨大量的坚果客体难以得到充分利用，这样不仅污染环境而且浪费资源。若能够将其用于生活中，这必将改善人类的未来，为世界的发展贡献自身价值。由于对坚果壳的复合材料物理和化学性质知之甚少，因此限制了其应用，需要对其进行系统的、全面的、统筹的分析与研究，将其应用于实践中。
- 研究现状
从20世纪70年代开始，生物质能的开发利用研究已经成为世界性的热门研究课题。许多国家都制定了相应的开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划，纷纷投入大量的人力和资金从事生物质能的研究开发。生物质能利用研究开发工作，国外尤其是发达国家的科研人员作了大量的工作。美国在生物质利用方面处于世界领先地位。美国每年以农村生物质和玉米为原料生产乙醇约450万吨。计划到2010年，可再生的生物质可提供约5300万吨乙醇。我国生物质能的应用技术研究，从20世纪80年代以来一直受到政府和科技人员的重视。中国林业科学研究院林产化学工业研究所从20世纪80年代初期开始研究开发木质原料和农业剩余物的气化和成型技术。总之我国在生物质能的研究开发方面做了许多工作，取得了明显的进步，但是仍与发达国家相比差距甚远[[4]]。如今我国生物质能利用方面主要包括燃料乙醇、生物柴油、生物质发电等。但是目前，原料价格供给量不足、成品成油品质较差、销售渠道匮乏、激励力度不足等因素阻碍了我国生物柴油等产业规模化[[5]]。
生物质热解技术的核心是热解反应器，热解反应器类型以及加热方式对生物油产率和品质影响显著。热解反应属于吸热反应，即该反应需要从外界吸收能量维持反应进行。截止到目前，常见的生物质热解反应器主要有鼓泡流化床反应器、循环流化床反应器、传输床反应器、旋转锥反应器、螺旋反应器、烧蚀涡流反应器、真空热解反应器、内循环串行流化床反应器和下行床反应器等。生物质热解工艺技术按照加热方式的不同，主要分为内热式、外热式和内-外复合加热式。针对生物质热解技术，国内外开展了大量的研究工作。其中美国、加拿大和澳大利亚等国家的生物炭研究工艺较为先进，近年来中国在生物质技术方面也迅速发展[[6]]。
巴旦木作为生物质的一种，其果壳表面积大、灰分含量少，是提取上等活性炭的最佳原料之一，被广泛用作国防、化工、大型水厂等行业中清除杂质的净化剂。有些品种的果壳可用于白兰地酒及一些白葡萄酒的染色，以及作为添加特殊昧道的增味剂。巴旦木壳在工业中被广泛用作缓冲物，制成不同规格的颗粒，在石油工业的油井钻探中用作降低管道内部压力的缓冲物质，也可用于填补汽车冷却系统和潜水艇保温系统中金属紧密配件的微小空隙。另外，用巴旦木壳制成的牙膏，可以清洁牙齿。巴旦木也可生产低分子量的木糖和木糖醇。在美国，还有利用大量的巴旦木壳制造“假雪”，在非降雪季节进行滑雪运动[[7]]。
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