烘焙对生物质热解、气化、燃烧动力学特性的影响研究

发布时间：2020-10-11 14:41

　　 生物质作为唯一的可再生的含碳能源而备受关注,但是由于其原料具有显著的差异性,因而其工业化标准化利用受阻,如:不同生物质热解特性参数与反应机理差异较大,不利于商业化规模生物质热解的工艺优化与反应器设计。而烘焙目前被认可的最大优势是将不同来源不同品质的生物质转化为均一性的生物质原料。基于此,本文重点探讨了烘焙后不同种类生物质理化特性的变化,以及热解、气化和燃烧等热化学转化特性的变化,研究烘焙后不同种类生物质的均一性的变化以及不同种类生物质烘焙前后其热化学特性与生物质原料特性的关联性。主要研究结论如下:首先,选取20种不同种类生物质,包括秸秆类生物质:花生杆、芝麻杆、烟杆、稻杆、黄豆杆、棉杆、玉米杆、麦秆;壳类生物质:花生壳、稻壳、油菜荚、碧根果壳、巴达木壳、核桃壳;木质类生物质:樟木、沙比利、桉木屑、竹子、杨木、柳木,利用固定床系统在270℃下烘焙。通过对烘焙前后生物质组成发现,发现烘焙能够降低生物质的氧含量、增加固定碳含量,提高生物质热值。烘焙能够改善生物质的元素分布,烘焙后生物质氢碳比与氧碳比分布更加均匀,烘焙后生物质的元素分布产生一定程度均一性。接着,采用热重分析仪研究了种类以及生物质烘焙对其热解特性的影响,并分析热解过程的动力学特性参数,探讨了种类与生物质热解动力学特性参数的关系,揭示了种类与生物质热解过程的变化的关联。发现烘焙后秸秆类生物质热解过程中最大失重速率明显降低,但是木质类生物质热解最大失重速率有大幅上升。无论烘焙前后,对于热解开始温度、停止温度、最大失重速率对应温度;木质类生物质稍微高于壳类的生物质,秸秆类生物质的热解开始温度最低。不同种类生物质中纤维素的稳定性不同,木质类生物质中纤维素热稳定性最高、其次壳类生物质、秸秆类生物质中纤维素稳定性最差。烘焙后生物质热解特性中热解开始温度、最大失重速率时的温度以及热解结束温度的分布标准差变小,因此烘焙能够使这些热解特性在一定程度上变得集中,使烘焙后生物质产生一定程度上的均一化。烘焙后生物质热解最大失重速率及其对应温度与生物质挥发分有强烈的正相关性,说明烘焙能够使生物质热解最大失重速率及其对应温度的分布更具有规律性,烘焙后生物质的均一性更高。其次,研究了种类及烘焙对生物质烘气化特性的影响,分析气化过程的动力学特性参数,探讨了种类和生物质气化过程动力学特性参数的关系,揭示了种类与生物质气化参数的变化的关联。发现对于大部分生物质,烘焙后其气化阶段最大失重速率及对应温度以及气化完全转化温度均有明显升高。烘焙后木质类生物质的气化过程相关特性参数的分布标准差均变小,烘焙后木质类生物质的气化过程的均匀性得到增强;木质类生物质气化特性参数标准差均比秸秆类和壳类生物质小,木质类生物质气化过程均匀性强于秸秆类和壳类生物质。最后,研究了种类及烘焙对生物质燃烧特性的影响,分析燃烧过程的动力学特性参数,探讨了种类与生物质燃烧特性参数的关系,揭示了种类与生物质燃烧参数变化的关联。发现烘焙后,秸秆类生物质、壳类生物质以及木质类生物质着火温度均上升、综合燃烧特性指数均增加、燃尽温度也有明显升高。烘焙后秸秆类生物质最大燃烧速率降低,但是木质类生物质最大燃烧速率增加,壳类生物质最大燃烧速率部分降低、部分增加。无论烘焙前后生物质在200℃~550℃之间的燃烧模式均为生物质先分解析出挥发分并燃烧,然后是挥发分和固定碳的同时燃烧。烘焙后,木质类生物质燃烧特性参数的分布标准差均变小,烘焙能够有效使木质类生物质燃烧特性均匀性得到明显增加。烘焙后生物质着火温度、最大燃烧速率及其对应温度与挥发分之间存在强烈正相关性或是相关性增强,因此烘焙能够能够使生物质燃烧过程均匀性得到有效增强。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK6
【部分图文】：

生物质能的转化利用技术生物质的固化成型技术是指将密度较小、形状不规则的生物质原料在外力的作用

生物质烘焙实验在固定床反应系统上进行，如图 2-1 所示，该系统由给料单元床反应器（高约 500mm，内径 26mm）、废气吸收单元，以及温度和气体流量控等部分组成。每次实验时，先放少量石英棉在底部开有气孔的石英吊篮上，防止生物质样，然后称取 1g 左右的生物质样品置于吊篮内，再将吊篮悬挂在石英反应器的顶后向反应器中通入 300mL/min 的高纯氮气，同时加热反应器至指定温度（270℃此期间持续通入氮气十分钟从而排空反应器内部空气。当反应器到底指定温度即将吊篮放入反应器中部位置，然后停留 30min。每次实验结束后，将反应器从炉内取出置于空气中，继续向反应器内通入氮气应器在氮气氛围下自然冷却至室温。然后，取出吊篮，称重吊篮质量，烘焙前后量差值即为烘焙生物质固体产率。每次实至少验重复 3 次，且相对误差不超过 3 次的平均值作为结果。

图 3-1 生物质热解过程特征参数的定义物质热解过程特性质热解失重特性类生物质烘焙前后样品热解过程 TG 与 DTG 曲线；表品热解特性参数，烟杆烘焙后根据上述对热解停止温度；表 3-2 秸秆类生物质烘焙前后各温度区间失重量。看出，在温度低于 220℃时，生物质质量损失很小，不量，因此在此过程中主要发生生物质中水分的析出，要热解反应发生于 220℃~400℃之间，烘焙前秸秆类生在 41%~57%之间，在 400℃~800℃之间失重量 9%~14在 220℃~400℃之间失重量在 24%~40%之间，在 400
【参考文献】

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本文编号：2836728