生物质空气气化过程的有效能分析

以空气为气化介质,选取松木、玉米秸秆、木屑为气化原料,运用ASPEN PLUS软件并结合Fortran编程对基于自热固定床反应器的生物质气化过程进行了模拟,探讨了空气当量比(ER)和生物质含水量对干气低位热值、气化炉温度、干气组成和气化有效能效率的影响. 结果表明,在生物质含水量一定时,随ER增加,干气低位热值降低,气化温度升高,干气中CO含量先增加后减少,H2含量降低,有效能效率先升高后降低;ER一定时,随生物质含水量增加,干气低位热值降低,气化温度先降低后升高,干气中CO含量降低,H2含量先升高后降低;当松木、玉米秸秆、木屑的含水量为20%(w)、ER分别取0.25, 0.2和0.15时,最大有效能效率分别为61.67%, 60.23%和54.98%.     

玉米秸秆与煤流化床的共气化特性

以玉米秸秆与无烟煤为原料,在循环流化床中进行空气-水蒸汽气化实验,采用预热装置将气化剂(空气、水蒸汽)由常温加热至500℃,考察气化温度、气化剂类型及生物质掺混比对气化燃气组分和热值、气化效率及碳转率等指标的影响.结果表明,提高气化温度可增大碳转化率及气化效率,950℃时无烟煤单独气化效率最高,850℃时玉米秸秆掺混比为20%的混合试样气化效率最高.选择空气-水蒸汽作气化剂时,H2体积分数由1.80%增至15.53%.玉米秸秆掺混比增加可促进CO生成,抑制CO_2生成,掺混比高于40%时会降低燃气热值及碳转化率.空气作气化剂,玉米秸秆掺混比为20%时燃气热值最高,空气-水蒸汽作气化剂,玉米秸秆掺混比40%时燃气热值最高.     

成型玉米秸秆气化的热重分析及动力学研究

以成型玉米秸秆为原料,采用热重分析方法,探讨气化剂CO2浓度和物料含水率对成型玉米秸秆气化过程中热失重的影响,并从动力学角度对气化特性进行分析。结果表明:生物质气化过程可分为水分析出、纤维素/半纤维素/木质素等有机物分解、焦炭气化三个阶段;CO2浓度为30%时,气化反应程度加剧,活化能和频率因子亦达到最大值;气化反应转化率随生物质含水率增大先增加后减少,少量水分促进气化反应,水分含量过高抑制气化反应;高含水量的生物质在气化过程中水分蒸发能耗比化学反应能耗大。     

煤与生物质共热解的协同特性研究

通过对玉米秸秆和平顶山烟煤在不同粒度及升温速率下的热重分析,说明平顶山烟煤和玉米秸秆最大失重率对应的峰值温度分别为500℃和350℃左右,二者热解温差较大,无法形成协同作用;在达到相同失重量的情况下,热解温度越高,其升温速率也越高。在一定升温速率下,随着粒度的变化,玉米秸秆的热解温度变化不大,而平顶山烟煤的变化相对较大。通过对比实验1(将样品从常温加热至850℃并保温30 min)和实验2(直接放入850℃高温中并保温30 min)的挥发分,说明实验2的挥发性物质比实验1平均值升高约1.75%;随着混合物中煤质量分数的增加,实际挥发物质比理论挥发物质总体有升高趋势,说明生物质的存在对煤的热解有一定程度的协同作用。     

煤粉大比例掺混不同生物质的混燃特性研究

可再生能源生物质清洁低碳、易于获取、利于着火,含硫、氮量少且属于碳中性物质,但其能量密度低。在煤粉中大比例掺混生物质(生物质/煤粉质量比大于5∶5)可有效改善煤粉着火特性,碳排放水平接近燃烧天然气,且污染物排放显著降低,进而达到节能减排目的。目前研究主要集中在低掺混比例(小于5∶5)下生物质与煤粉的混燃特性,针对北方常见的玉米秸秆、稻杆和玉米芯等生物质与煤粉在大掺混比例下的燃烧特性,尚有待深入。笔者利用热重分析技术分别研究了煤粉与不同生物质种类(玉米秸秆、稻杆及玉米芯)在不同掺混比例下(5∶5、6∶4、7∶3和8∶2)的混燃特性,分析生物质种类和掺混比例对混合燃料的着火温度、燃尽温度、交互反应以及燃烧特性指数等的影响,确定了不同生物质的最佳掺混比例。结果表明:掺混比例对混合样品失重曲线的影响从大到小依次为玉米秸秆、玉米芯和稻杆。随掺混比例增加,第1阶段最大质量变化速率逐渐增大且燃烧进程前移,第2阶段则逐渐减小,这是由于挥发分相对增加且焦炭相对减少的原因。混合样品的着火温度和燃尽温度比纯煤粉分别下降约100和60℃。随掺混比例的增加,玉米芯着火温度逐渐减小,玉米秸秆和稻杆则先减小后增大,且均在7∶3时达到最小;燃尽温度均呈现下降趋势,下降幅度由大到小分别为玉米芯、稻杆和玉米秸秆。玉米秸秆和稻杆在8∶2时燃尽性能较差。混合样品发生不同程度的交互作用,该交互作用正是生物质的促进和抑制的协同作用,使3种生物质均在5∶5时对煤粉燃烧抑制作用大;玉米秸秆和稻杆在7∶3时、玉米芯在6∶4、8∶2时促进作用大。同时,3种生物质的燃烧特性指数远大于煤粉,随掺混比例的增大,玉米芯的燃烧特性指数变化最大并在8∶2时达到最大值,6∶4和7∶3时几乎相同;稻杆的变化最小且在7∶3时达到最大值;玉米秸秆在7∶3和8∶2时几乎相同并达到最大值。小范围改变掺混比例时,燃烧特性指数变化不大。这可能是由于燃烧特性指数不仅与着火温度和燃尽温度有关,还与样品在其主要燃烧过程的反应速率有关,而煤粉在焦炭燃烧阶段的反应剧烈程度高于生物质挥发分析出阶段,使不同掺混比例的混合样品出现以上现象。     

多菌种共发酵体系的建立及生物转化玉米秸秆

利用氨处理酸中和方法对玉米秸秆进行预处理，再通过几种微生物绿色木霉TB101、假丝酵母（321、1817）、啤酒酵母2.339构成混合菌共发酵体系，依据多种微生物生长及代谢特性，利用正交实验法，优化出一套完整可行的混合菌发酵的技术路线和工艺方法，以实现玉米秸秆微生物的有效利用。在发酵温度为30℃，培养基的最初pH5.0，木霉接种72小时后接酵母，再发酵5天后测得蛋白质在绝干产物中的含量可达成21%，纤维素的利用率72%。这些为开发自然界这一重要秸秆资源奠定坚定的基础。     

生物质灰对煤焦气化反应的影响

生物质灰富含碱金属及碱土金属(AAEM),可作为天然催化剂应用于煤催化气化。生物质灰对煤焦气化反应促进作用也是生物质与煤共气化协同作用的本质原因。然而,生物质灰中AAEM在煤气化过程中会失活,失去部分催化作用。通过固定床热解及气化试验,结合XRD、Raman、XRF及BET等手段,分析了生物质灰种类、添加量、气化温度等因素对煤焦气化反应的影响。结果表明,生物质灰对煤焦气化反应催化作用与AAEM含量及存在形态相关。煤焦气化反应速率随小麦秸秆灰添加量增大而增大,小麦秸秆灰添加量达40%时,煤焦气化反应速率变化趋于平缓。气化反应前期,小麦秸秆灰对煤焦气化反应存在抑制作用;随转化率升高,在相同转化率下,温度越高,小麦秸秆灰催化作用越弱。为抑制小麦秸秆灰中K的失活,以蛋壳作为添加剂,探究了小麦秸秆灰与蛋壳的混灰对煤焦气化反应的影响。结果表明,25%小麦秸秆灰与5%蛋壳的混灰,可进一步增强小麦秸秆灰对煤焦气化反应催化作用。添加小麦秸秆灰使煤焦在气化过程中比表面积增大,孔隙结构丰富,石墨化程度减弱,无定形碳含量增加,气化反应活化能降低,气化反应速率增大。煤焦及添加小麦秸秆灰煤焦气化反应采用随机孔模型...     

玉米秸秆厌氧发酵制氢菌源的筛选及预处理研究

对联合预处理的秸秆利用微生物转化进行间歇或半间歇的产氢实验,采用牲畜动物粪便及堆肥作为产氢微生物菌种来源,筛选出玉米秸秆产氢的最佳菌源及菌源的最佳预处理方式。实验先后采用牛粪堆肥、新鲜牛粪、干羊粪、猪粪堆肥及牛粪和猪粪的混合堆肥进行产氢实验,实验结果表明在同样条件下以牛粪堆肥为菌源时累积产氢量最大;采用牛粪堆肥菌源进行预处理研究,得到的预处理最佳产氢条件为:菌源浸泡1d后,在0.25%的NaOH溶液中加热煮沸18min,然后再曝气30 min。     

在紫外光下以玉米秸秆为牺牲剂提升光催化分解水制氢

将玉米秸秆加入Pt/TiO_2的悬浊液中,在紫外光照射下实现了光催化分解水制氢速率的提升。通过SEM、XRD、FT-IR和TGA对玉米秸秆在光催化反应后的结构特征的变化进行了表征和分析讨论。通过单因素实验和正交实验研究了辐照时间、玉米秸秆颗粒浓度、秸秆颗粒粒径和催化剂浓度对氢气产率及产氢量的影响。实验结果表明:催化剂浓度和秸秆颗粒浓度对产氢的影响较大。产氢量随着催化剂浓度的增加先增后减,在催化剂浓度为4×10~(-3)～6×10~(-3)g/ml时产氢量最高。当秸秆颗粒浓度大于0.5×10~(-3)g/ml时,产氢量随着秸秆颗粒浓度的增加出现明显的下降,而且在不同的秸秆颗粒浓度下氢气产率随着反应时间的增加呈现出不同的变化规律,而过小的秸秆颗粒粒径会产生负面的影响。     

ATH-MH阻燃剂对PMMA粉尘燃烧性能的影响

为了研究聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在添加不同质量比的氢氧化铝(ATH)与氢氧化镁(MH)粉后燃烧特性的变化,使用锥形量热仪测试添加3种不同质量比的ATH与MH的PMMA的热释放性能、质量损失速率变化,并对其火灾危险性进行研究。结果表明：未添加阻燃剂时,200目PMMA热释放速率峰值最高,为378.32 kW/m²,到达峰值的时间为80 s;质量损失速率峰值为0.154 g/s,到达峰值的时间为140 s。500目PMMA热释放速率峰值为361.35 kW/m²,到达峰值的时间为65 s;质量损失速率峰值最低,为0.153 g/s,到达峰值的时间为70 s。对3种粒径的PMMA进行火灾危险性分析,500目PMMA的火灾增长系数(FGI)最高,为5.56 kW/(m²·s)。当ATH∶MH为2∶1时,500目PMMA热释放速率峰值最低,为93.72 kW/m²;点燃时间最长,为83 s;FGI最低,为1.91 kW/(m2·s)。当ATH∶MH为2∶1时,对PMMA燃烧性能的抑制效果最理想。     

纤维素水热炭化液相与玉米秸秆混合发酵有机物转化与产气特性

为实现生物质资源的无害化处理与多级利用，本研究旨在探究纤维素水热炭化液相和玉米秸秆混合发酵过程中有机物转化及产气特性。为探究水热反应条件对混合发酵过程的影响，开展了不同条件水热炭化液相与玉米秸秆混合发酵实验。结果表明，与秸秆单发酵相比，在200℃(保温30min、60min、120min)和230℃(保温60min)条件下制备的水热液相和秸秆混合发酵的产气分别提升了7.32%、4.42%、22.08%、21.76%，其中甲烷最大累积量为1387mL。水热时间的延长和水热温度升高对最终产甲烷量都具有正向的促进作用；液相中的呋喃及其衍生物等抑制物并未对混合厌氧发酵产生明显的负面效果，反而被微生物分解为糠基醇等有机物，促进产气。水热炭化液相的加入促进了氢还原二氧化碳途径产甲烷菌的生长，协同乙酸产甲烷途径，促进了甲烷的生产。本研究结果可为优化水热炭化有机废液与秸秆混合发酵工艺提供理论基础。     

基于能量集成的秸秆生物质快速热解生命周期评价

生物质的流态化快速热解技术具有设备结构简单、液相产物得率高等优点,但反应过程中大量的循环流化气体需要加热至反应温度,因而存在能耗高的问题。针对我国农村秸秆分布广和集中处理运输消耗大等特点,在已有1000 t/a处理规模的中试基础上,提出了具有能量回收效率高、秸秆处理集约化的流态化快速热解系统。系统通过高温气相换热、冷凝与提馏相结合等方法,回收了占总需求66.02%的热量,得到含水率小于3%的热解原油及富水木醋液产品,并通过烟气燃烧供热实现了系统热量自给。通过生命周期评价表明,整个系统的温室气体排放为-428.42 kg CO₂ eq,与秸秆直接焚烧相比大幅度降低了对环境的影响。     

有机垃圾液化厌氧发酵的研究

本研究以水处理的思路将生活垃圾有机质液化后厌氧发酵,使其产气产肥,从而达到垃圾资源化的目的。研究讨论了浆化垃圾的p H对系统启动的影响;微生物的接种率和浆液的含水率及对浆化垃圾厌氧发酵产气的影响;发酵时间对发酵液氨氮浓度的影响。结果表明,浆化垃圾厌氧发酵启动过程p H呈下降趋势;进料3天后,系统p H维持在6左右可保证系统成功启动;适宜的接种率可提高厌氧发酵的速率,接种率为35%的物料产气速率最快;浆液含水率的增加有利于产气量的增大;当含水量达到70%时,单位物料产气量达到最高,为4.4 m L/g;发酵液中氨氮的浓度随发酵时间的增加而增大。     

ORP调控对马克斯克鲁维酵母发酵纤维素水解液的影响

采用通气的方式进行氧化还原电位（oxidation-reduction potential,ORP）调控,研究在添加抑制物条件下Kluyveromyces marxianus 1727-5利用葡萄糖、木糖以及两者混合体系的发酵性能,在此基础上考察了ORP调控策略对玉米秸秆水解液发酵的影响。研究结果表明：在调控ORP策略下,多种混合抑制物对酵母生长代谢造成的损害得以有效改善,细胞活性高,木糖、葡萄糖代谢速率加快。葡萄糖与木糖共发酵时,ORP调控至-150 mV时,葡萄糖发酵时间缩短近30%,木糖醇浓度由3 g·L^-1增加到10 g·L^-1。ORP调控策略也同样能有效缓解玉米秸秆水解液中较高浓度的多种抑制物对酵母细胞的胁迫,ORP为-100 mV时,相比于对照组,在保持终点乙醇不变的情况下,葡萄糖的发酵时间缩短了22%;木糖消耗由4.88 g·L^-1增至10.27 g·L^-1,木糖醇得率也由0.20 g·g^-1提高至0.48 g·g^-1。     

生物质替代燃料燃烧特性分析

本文使用同步热分析仪对常见生物质替代燃料树枝、谷壳、秸秆和枯棉燃烧过程的TG、DTG曲线进行了研究，分析来自不同区域和品种的树枝、谷壳、秸秆和枯棉在同一条件下的各个燃烧性能指标，通过研究发现四种生物质替代燃料着火温度普遍分布在265～285℃，不同材质燃尽温度各不相同，主要集中在350～450℃附近，整体燃烧时间长，平均燃烧速率慢，最大燃烧速率在（7～10）%/min，发热量低，热量释放主要集中在挥发分和固定碳的燃烧，部分材料出现分段燃烧现象。     

生物质与煤混合灰的熔融及黏温特性

使用灰熔点测试仪研究了稻草、玉米秸秆、棉秆3种生物质分别掺入不同比例对鲍店煤灰熔融特性的影响,并利用高温黏度计考察了3种生物质掺入比例均为10%时对鲍店煤灰黏温特性的影响。结合X射线衍射仪分析测试结果,采用热力学计算软件FactSage得到了不同温度下灰渣熔融过程中物相及渣液内固含量的变化。结果表明：3种生物质掺混比例为10%～30%时,混合灰灰熔点均随生物质掺混比例的增加而降低,在较高的掺混比例下混合灰灰熔点呈现波动性,但均未高于煤的灰熔点。掺混比例为10%时,生物质的加入一定程度上改善了鲍店煤灰的黏温特性,可使气化炉操作温度下限降低约20℃左右。钙长石的生成是造成熔渣黏度迅速增加的主要原因。     

ORP调控对马克斯克鲁维酵母发酵纤维素水解液的影响

采用通气的方式进行氧化还原电位(oxidation-reduction potential,ORP)调控,研究在添加抑制物条件下Kluyveromyces marxianus 1727-5利用葡萄糖、木糖以及两者混合体系的发酵性能,在此基础上考察了ORP调控策略对玉米秸秆水解液发酵的影响。研究结果表明:在调控ORP策略下,多种混合抑制物对酵母生长代谢造成的损害得以有效改善,细胞活性高,木糖、葡萄糖代谢速率加快。葡萄糖与木糖共发酵时,ORP调控至-150 mV时,葡萄糖发酵时间缩短近30%,木糖醇浓度由3 g·L~(-1)增加到10 g·L~(-1)。ORP调控策略也同样能有效缓解玉米秸秆水解液中较高浓度的多种抑制物对酵母细胞的胁迫,ORP为-100 mV时,相比于对照组,在保持终点乙醇不变的情况下,葡萄糖的发酵时间缩短了22%;木糖消耗由4.88 g·L~(-1)增至10.27 g·L~(-1),木糖醇得率也由0.20 g·g~(-1)提高至0.48 g·g~(-1)。     

小麦与玉米秸秆的热解过程及其动力学分析

采用热分析仪,通过研究在氮气气氛下,升温速率分别为20、40、60和80℃/min时小麦和玉米秸秆的热解过程得出：小麦和玉米秸秆的热解过程可以分为预热解、快速热解和慢速热解三个阶段;随着升温速率的升高,热解最大速率增加,其对应的温度向高温区移动,活化能和指前因子增大,动力学拟合直线的相关系数降低。     

好氧生物预处理时间对玉米秸秆水解酸化的影响

以玉米秸秆为原料,先经复合菌系进行好氧生物预处理,然后接种厌氧污泥进行厌氧发酵,考察了预处理时间对厌氧发酵的影响,并测定木质纤维素结构及含量变化、关键性酶活、微生物多样性和厌氧发酵酸化产量。研究结果表明：随着预处理时间的延长,玉米秸秆的结构逐渐被破坏,木质素过氧化物酶活性逐渐降低,木聚糖酶和纤维素酶活性逐渐升高,最高分别达0.879和0.025 7 U/mg。放线菌、芽孢杆菌和曲霉菌是秸秆好氧生物预处理中的优势菌群。玉米秸秆经好氧生物预处理2 d,厌氧发酵产酸效果最佳,乙醇和挥发性脂肪酸产量为249.3 mg/g,比未处理提高了46.73%;玉米秸秆经好氧生物预处理5 d,乙醇和挥发性脂肪酸产量为138.2 mg/g,比未处理降低了18.66%。过长的玉米秸秆好氧预处理时间会使玉米秸秆中半纤维素、纤维素过度降解,这是造成玉米秸秆厌氧发酵产酸量下降的主要原因。以能源化、资源化为目的的玉米秸秆厌氧发酵预处理时,利用复合菌系好氧生物处理作为其预处理方法,应严格控制预处理时间,避免因为纤维素、半纤维素过度降解导致的产品产率下降问题。     

宝日褐煤及其干燥煤和半焦的润湿热变化规律

采用μRC微量热仪研究了宝日希勒褐煤及其500℃热解半焦在25℃下的润湿热.结果表明,褐煤的含水量对润湿热有较大影响,含水量低于16%的干燥煤润湿热随着含水量的降低而增加,含水量高于16%的宝日褐煤润湿时的放热量可忽略不计;半焦在空气中由于氧化吸湿,润湿热降低,暴露48h后润湿热降低为原来的1/2,暴露240h后润湿热降为原来的12%,并不再随暴露时间的增加而降低;半焦的润湿热与半焦粒度无关,而润湿时的放热速率随粒度的增大而降低;褐煤的表面官能团与半焦的表面官能团有较大差别.研究表明,表面官能团对润湿热有较大影响.