生物质与煤热解特性及动力学研究

利用热重分析技术对4种常见天然生物质(核桃壳、木屑、玉米秸秆、小麦秸秆)和两种烟煤在高纯N2条件下的热解过程进行了分析,研究不同粒度级和不同升温速率对热解过程的影响,并用Coats-Redfern积分法对热解过程进行了动力学分析。结果表明,生物质热解失重主要温度段为200～450℃,烟煤为300～600℃,反应符合一级反应动力学模型,生物质活化能为50～80kJ/mol,煤为30～115kJ/mol;升温速率对热解特性的影响较大,提高升温速率,TG及DTG曲线向高温方向移动。     

稻壳与煤的共热解特性

利用热重分析仪,对煤(原煤、脱灰煤)和稻壳分别单独及按不同比例混合热解进行了热重实验。结果表明:稻壳对煤的热解有一定的促进作用,随着稻壳添加量的增加,煤热解高峰区向低温区移动,但这种趋势逐渐减小,且对原煤的促进作用较脱灰煤明显。通过相同配比时不同升温速率的对比实验,得出升温速率增大会使热解所需温度升高和半焦产率增加。由于煤与稻壳热解温度区间基本不重叠,其共热解时不存在协同效应。     

慢速热解条件下生物炭理化特性分析

生物炭可以作为优质燃料、土壤改良剂以及生物有机肥料等,不同用途的生物炭特性差异较大。为此,针对在慢速热解条件下产生的生物炭特性,如固定碳、热值、比表面积、孔隙等进行分析,得出温度是影响生物炭理化特性最重要参数,升温速率、滞留时间等对各特性也有一定影响。同时,结合目前各种类型热解设备综合比较认为:窑式热解设备适合生产质量不高、固定碳含量较高的生物炭;固定床式热解设备根据加热方式不同可以生产各种生物炭,适应范围较广;移动床式热解设备适合生产固定碳、比表面积较高的生物炭。另外,现有各设备在结构参数、自动控制方面、生物炭冷却方面还有待提高,设计出规模化、自动化的成套设备是未来的发展趋势。     

鸡粪热解特性与动力学分析

应用同步热分析仪,以不同升温速率对鸡粪进行热解,研究其热解特性和动力学。结果表明,鸡粪热解可以分为5个阶段,随着升温速率增加,反应的特征温度和最大失重速率变化较明显。根据Malek法确定热解机理为随机成核和随后成长,把试验数据代入热解鸡粪热解反应式拟合计算得到的活化能和频率因子,与Ozawa法计算的结果相同,确定活化能E为180.83 kJ/mol,频率因子lgA为14.27 s-1,反应级数n为1/3。通过常规热解试验,分析样品在一定温度的固体产率,得到的结果与热重试验的数据接近,验证了热重分析结果的可靠性。     

温度对生物质三组分热解制备生物炭理化特性的影响

以纤维素、木聚糖和木质素为研究对象,利用真空气氛炉热解制备生物炭,探究温度对生物质三组分热解制备生物炭理化特性的影响规律,为生物炭的性能调控和机理研究提供理论依据。结果表明:纤维素和木聚糖的热解温度范围主要集中在300~500℃,纤维素生物炭产率由35.38%下降至20.93%,木聚糖生物炭产率由46.28%下降至29.40%,木质素热解温度范围主要集中在300~600℃,木质素生物炭产率由81.22%下降至51.53%;热解温度对生物质三组分制备生物炭的C、H、O、N元素含量的影响规律基本相同,即C元素含量逐渐升高,H、O、N元素含量逐渐降低,C元素质量分数分别由69.42%、72.92%、54.75%升至96.39%、77.26%、67.97%;热解温度对生物质三组分制备生物炭的灰分、挥发分、固定碳和热值的影响规律基本相同,即挥发分逐渐降低,而灰分、固定碳和热值均逐渐升高,挥发分分别由50.67%、44.89%、39.99%降至7.63%、5.52%、14.41%,固定碳分别由47.95%、55.03%、35.41%升至90.18%、94.11%、53.70%,热值分别由25 652.58、26 681.81、21 173.29 k J/kg升至34 602.52、33 965.15、24 142.62 k J/kg;热解温度对木质素生物炭的比表面积和孔径分布影响明显,对纤维素和木聚糖生物炭的影响较小,500℃时纤维素和木聚糖达到最优的比表面积和微孔体积,600℃时木质素达到最优的比表面积和微孔体积;热解温度在500℃时,纤维素和木聚糖制备的生物炭达到最大的碘吸附值,纤维素生物炭碘吸附值为422.46 mg/g,木聚糖生物炭碘吸附值为115.06 mg/g,热解温度在600℃时,木质素制备的生物炭达到最大的碘吸附值,为460.35 mg/g。     

玉米秸秆及其发酵沼渣热解动力学研究

为研究厌氧发酵过程对秸秆类生物质热解特性及动力学的影响,以玉米秸秆及其厌氧发酵沼渣为研究对象,分析了二者热解特性,分别采用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法和Starink法对热解活化能分布进行研究,并结合Malek法对其主要热解阶段的最概然机理函数进行了探讨。原料基本特性分析结果表明,玉米秸秆经过厌氧发酵后,挥发分含量减少19.48%,固定碳含量增加27.87%,半纤维素与纤维素相对含量分别降低了39.94%与30.96%,木质素相对含量增加了109.14%。热重试验结果表明,与玉米秸秆相比,发酵沼渣最大失重速率减小,且残炭率较高。对二者热解动力学分析结果表明,发酵沼渣的活化能主要分布于91~130 k J/mol之间,低于玉米秸秆原样;二者机理函数可采用两阶段理论描述,当转化率小于0.6时可由反应级数n=2机理模型进行描述;当转化率大于0.6时,玉米秸秆更符合圆柱形对称三维扩散机理(D4),发酵沼渣更符合球形对称三维扩散机理(D3)。本研究为发酵沼渣热解制备生物燃料工艺条件优化和工业化应用提供了理论依据。     

荸荠淀粉理化性质研究

本文对荸荠淀粉的透明度、溶解度、膨胀度、直链和支链淀粉含量、老化值及冻融稳定性等理化性质进行了研究,并与玉米淀粉和马铃薯淀粉进行比较。结果表明:荸荠淀粉直链淀粉含量为22.15%,透明度、膨胀度、溶解度、老化值及冻融稳定性均介于玉米淀粉和马铃薯淀粉之间,是一种品质优良的食用淀粉。     

生物质快速热解动力学研究进展

建立动力学方程是正确了解生物质热解过程的关键,研究生物质快速热解机理必须获得生物质在快速热解条件下的动力学方程.为此,介绍了国内外学者对生物质快速热解动力学的研究,对提出的动力学模型进行了总结并分类介绍.生物质在快速热解条件下的动力学模型可以分为单步整体模型、竞争反应模型、半总体模型、焦油二次裂解模型和综合模型等.     

麦秸与木屑热解制备磁性生物炭基材料理化性质研究

分别以小麦秸秆和杨树木屑为原料,经浸渍-化学沉淀-高温热解制备磁性生物炭基复合材料,考察负载铁处理在不同原料类型、热解温度下对材料理化特性的影响。结果表明:复合材料中铁主要以Fe3O4的形式存在,材料外层含量较内层高。负载铁处理加速了生物质热解脱氢和脱氧进程,对生物炭理化特性的影响效应随温度升高而加剧。在300~600℃的热解温度下,负载铁处理小麦秸秆和木屑热解炭的灰分质量分数均增加,增加范围分别为28.8~34.4个百分点,39.1~47.6个百分点,而固定碳含量、热值均降低;比表面积、总孔容均增大,增大范围分别为:10.67~72.24 m2/g、0.039 8~0.093 1 cm3/g,15.43~105.14 m2/g、0.010 4~0.078 9 cm3/g,而平均孔径减小。负载铁处理对两种生物质挥发分含量和pH值的影响不同,表现为:负载铁秸秆生物炭的挥发分质量分数增加5.2~13.2个百分点,pH值降低0.04~1.49,而负载铁木屑生物炭的挥发分质量分数在300℃降低17.4个百分点,在400~600℃增加8.5~22.2个百分点,pH值则升高0.33~1.93。     

预处理棉花秆的热解动力学研究

为研究棉花秆4个样品（原生物质、盐酸酸洗、3%氯化钾加入及10%氯化钾加入）的热解动力学过程,采用热重法对其在不同升温速率下进行了热解实验。结果表明：4个样品的热解都可分为4个阶段,随着升温速率的提高,热解最大速率以及相对应的温度随之提高,主反应区热重曲线和微分热重曲线都向高温方向移动;盐酸酸洗有利于挥发成分的生成,氯化钾参与量达到一定程度可以提高炭产量。将Coats-Redfern积分法和Achar微分法相结合计算出20种常用机理函数的动力学参数与用Ozawa法计算出的动力学参数相比较,得出棉花秆原生物质热解最可能机理符合Zhuralev-Lesakin-Tempelman方程——三维扩散;盐酸酸洗和氯化钾参与的棉花秆热解最可能机理符合Avrami-Erofeev方程——随机成核和随后生长,反应级数n=2。     

渠道衬砌抗渗型稻壳混凝土力学性能试验研究

从提高稻壳混凝土抗渗性能的要求出发,对运用新配合比的渠道衬砌抗渗型稻壳混凝土的力学性能进行研究,得到粉煤灰掺量、稻壳掺量和水灰比对稻壳混凝土抗压强度的影响规律.通过对混凝土抗压强度主效应分析得到混凝土抗压强度的影响因素由大到小依次为:水灰比、稻壳掺量、粉煤灰掺量;通过对混凝土二因素间的交互效应分析得到,当3个因素中有一...     

稻壳的综合利用技术

稻壳是一种宝贵的生物资源,可综合利用生产各种化工原料、绝热保温材料、农药、高性能吸附活性炭、可降解包装材料餐具及气化能源等。为此,对稻壳在工业、农业、建筑、能源等几个方面的利用情况进行了阐述,以证明稻壳具有非常广阔的应用前景。     

稻壳烧制纳米二氧化硅装置

通过折回平行的螺旋推进器布局结构实现稻壳定向运动，采用从空心转轴中央通入供给燃烧的空气和燃烧筒外包裹冷却水层的方式实现稻壳的可控温度燃烧。燃烧过程连续进行，燃烧余热回收利用预热供给燃烧的空气，提高燃烧效率和能量利用率，烧制好的成品能迅速脱离高温环境得到冷却。保证稻壳灰的活性，并可以实现规模化生产。机器除应用于低温稻壳灰的烧制外，还可应用于高温稻壳灰与炭化稻壳等相关稻壳产品的生产，以及其他有机质的燃烧与炭化，具用较强的实用性。     

桉树热解产物热物性参数演变特性研究

在自行设计的生物质固定床热解装置上,进行了150~850℃温度范围内,每隔100℃的桉树芯材木屑的固定床热解实验,并进行固态产物的热物性参数测试。结果表明:随着温度的升高,桉树芯材热解炭的固态产率逐渐减小,低位热值逐渐增大,450℃热解炭的热值比木屑原料提高了95.53%;堆积密度先减小后增大,体积能量密度持续增大,750℃热解炭的体积能量密度比原料增大了63.21%;热解炭的比热容和导热系数与热解炭内部的含水率、骨架结构,即孔道开度和密度有密切的关系。随着热解温度的升高,热解炭的比热容呈U字型趋势先减小而后增大,导热系数先轻微减小后以指数形式大幅增大,得到比热容和导热系数随温度的变化曲线方程,拟合度分别为0.932 0和0.995 3。     

生物质热解油喷雾特性试验

采用相位多普勒粒子分析仪,研究生物质热解油喷雾特性,考察气液质量流量比对液滴平均直径的影响,并与0号柴油和生物油/乙醇混合燃料的喷雾特性进行对比。结果表明：生物油的索特平均直径沿着轴向距离的增加呈先减小后增大的趋势,沿着径向不断增大;随着气液质量流量比的增加,液滴的平均直径不断减小,但减小趋势变缓;柴油雾化性能最好,生物油最差,添加乙醇能增强生物油的雾化性能。利用试验数据拟合得到生物油索特平均直径的经验公式,拟合值与试验测量值吻合良好,为生物油燃烧喷嘴的设计和运行工况的优化提供了参考。     

生物质热解气燃烧装置设计与燃烧特性试验

针对目前生物质热解气中焦油去除困难、焦油能量难以利用等问题,结合现有燃气燃烧器相关技术,开展了生物质热解气直接燃烧技术研究与试验。燃烧器理论耗气量为2~5 m~3/h,通过理论计算确定了燃烧器参数,设计了卧式燃烧室并安装烟气催化裂解装置及烟气检测装置,搭建了热解气燃烧试验平台,并对热解气的燃烧特性进行了试验研究。以花生壳为原料,在碳化温度500℃、滞留时间30 min的条件下进行连续热解碳化,产生的高温热解气直接通入燃烧设备。结果表明,燃烧设备性能较好,热解气燃烧过程稳定,燃烧效率达到98.5%,在催化剂的作用下,燃烧效率提高到98.9%,满足设计要求。     

盐酸预处理对生物质热解特性和热力学特性的影响

为深入探讨盐酸预处理对生物质热解特性的影响,采用热重法对比分析了酸洗前后玉米秸秆和银中杨在低升温速率(10、20、30、40、50℃/min)下的热解特性,利用分布活化能模型(DAEM)计算了热解过程的动力学参数和相应的热力学参数,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了酸洗前后生物质化学结构的变化。结果表明:生物质热解过程经历了失水、玻璃化转变、快速热解和碳化4个阶段;酸洗预处理提高了生物质热解的最大失重速率和最终失重率,减少了焦炭的产生。在转化率为20%～70%时,用DAEM模型计算得到酸洗前后玉米秸秆和银中杨热解活化能分别为218.27～340.08 kJ/mol、225.17～291.73 kJ/mol、227.35～254.76 kJ/mol、197.39～235.52 kJ/mol。盐酸酸洗预处理整体上降低了生物质热解过程中的活化能、焓变和熵变,增加了吉布斯自由能(ΔG),促进了热解反应。酸洗前后玉米秸秆和银中杨红外光谱图相似,但在相同吸收峰处存在明显的强度变化,说明酸洗预处理对不同生物质有机官能团的影响程度不同。     

木屑热解挥发物冷凝特性研究

在自行设计的生物质热解挥发物两级冷凝特性参数测试系统上,进行了木屑在450、550、650℃下热解挥发物冷凝特性研究,其中,一级冷凝采用空气作为冷凝介质,二级冷凝采用水作为冷凝介质,计算了表面局部冷凝换热系数,以及冷凝液膜热阻和厚度。结果表明:一级冷凝换热系数随着温度的升高而减小,在热解温度为450℃时达到最大值671.02 W/(m2·K);二级换热系数随着温度的升高先增大后减小,在热解温度为550℃时达到最大值1.484×105W/(m2·K)。基于冷凝器内壁一维稳态冷凝换热特性,分析了冷凝液膜形成过程,存在3个阶段:液膜形成、液膜积累、液膜流动。在液膜形成和积累阶段,液膜厚度逐渐增大,热阻变大;液膜厚度达到一定程度后,冷凝液产生流动,在液膜流动初期,液膜厚度逐渐减小,热阻变小;在稳定流动期,热阻基本保持稳定。     

我国稻壳生物质能源发电技术应用与产业发展规划研究

我国的稻谷年产量约2亿t,稻壳年产生量为5 000万t。作为一种较好的生物质能源,稻壳的发电技术得到发展和应用。为此,论述了稻壳生物质能源的发电技术及应用,并提出了产业发展规划,旨在推动我国生物质能源产业的发展。