农业生物质燃烧特性及燃烧动力学

为了充分燃烧利用农业生物质,采用 TG-DTG-DSC ( thermogravimetric-differential thermogravimetric-differential scanning calorimetry)联用技术对玉米杆、玉米芯、稻草、龙眼枝、荔枝条及其混合燃料进行了热重试验,考察了其可燃特性、着火特性、燃尽特性及综合燃烧特性,计算了燃烧动力学参数.结果表明,玉米杆及玉米芯燃烧前期DTG曲线分别出现2、3个峰值,而稻草、龙眼枝及荔枝条燃烧前期DTG曲线均只出现一个峰值;玉米杆及稻草燃烧中后期出现DSC曲线的吸热峰;玉米杆的可燃特性指数及着火特性指数均最大,且着火温度最低,荔枝条的燃尽特性指数最大,玉米芯的综合燃烧特性最好;低温阶段反应级数约为1.0~1.2,高温阶段反应级数约为0.5~0.8,低温阶段活化能大于高温阶段的活化能;生物质燃烧前期属于均相着火,后期属于多相着火.秸秆类生物质纯烧的后期稳定性较差,在木质类生物质中适当加入秸秆类生物质有利于混合燃料的前期燃烧,研究结果可为农业生物质的燃烧利用提供指导.     

玉米秸秆打捆燃料燃烧动力学模型

根据玉米秸秆捆烧特性,设计出整体玉米秸秆打捆燃料燃烧差热试验台。通过对玉米秸秆打捆燃料在不同供风温度（18℃、90℃）和不同供风量（过剩空气系数α分别取值0.7、1.1、1.5）工况下进行热重测试分析,建立了燃烧过程的动力学模型,求解出热解动力学参数：活化能和频率因子。研究表明：玉米秸秆打捆燃料燃烧的热重曲线、微商热重曲线总体变化特征是相似的,燃烧前期燃烧速度变化较快,中期逐渐变慢,后期趋于平稳;分析了燃烧温度和供风量对秸秆打捆燃料燃烧速度的影响,实现合理配风下的控温燃烧,挥发份的析出速度均匀适中, 燃烧相对平稳;捆烧动力学模型的建立,完善了生物质打捆燃料的燃烧理论,可供有关生物质打捆燃料打捆设备及燃烧设备的设计人员参考。     

玉米秸秆致密成型燃料燃烧动力学分析

为近一步实现秸秆致密成型燃料高效燃烧的合理利用,该文选用玉米秸秆致密成型燃料进行燃烧动力学分析,通过对玉米秸秆在不同粒度（1、0.25 mm）和不同升温速率（10、20、40℃/min）进行热重分析,采用一级反应动力学模型,得出不同实验水平下的热重、热重变化率及差热,利用热重和热重变化率计算出动力学参数——活化能和频率因子, 最后得到玉米秸秆的热解动力学方程。研究表明：玉米秸秆致密成型燃料的燃烧过程大致可以分为燃料吸热失水反应、挥发分析出和燃烧反应及固定碳的燃烧反应3个阶段,升温速率和样品细度的变化对燃料的活化能及最大失重速率有一定影响,玉米秸秆致密成型燃料的活化能在升温速率为20℃/min时最大。该研究为进一步研究生物质成型燃料的实际热解过程分析以及燃烧设备的设计参数选择提供理论依据。     

生物质成型颗粒燃料燃烧特性的试验研究

该文利用热重分析仪对玉米秸秆、木屑、混合木屑三种生物质成型颗粒燃料进行了理论分析，分段比较了三种颗粒燃料的燃烧特点及各段表观活化能和频率因子的热化学动力学参数，分析了成型处理工序对生物质燃烧特性的影响。结合颗粒燃料在燃烧炉中的实际燃烧特点，明确了影响颗粒燃料燃烧适应性的主导因素是挥发分的析出和燃烧速率，由此为改良低质颗粒燃料、提高燃烧炉适应性提出了指导性建议。     

应用同步热分析仪确定小麦秸秆热解需热量

为了解决生物质热解过程需热量的定量问题,该文应用热重—差示扫描（TG/DSC）同步热分析仪对小麦秸秆进行了热解实验研究。将约5 mg的小麦秸秆粉样品装入带盖的铂铑坩锅中,放在热解炉中的DSC-cp高精度样品支架上,在流量为25 mL/min的高纯氮气吹扫下,以10 K/min的升温速率从常温升至973 K,记录生物质的热重(TG)曲线和差示扫描(DSC)曲线。通过对实验所得微分热重(DTG)曲线和DSC曲线对比分析,对小麦秸秆热解过程进行了详细的探讨。在DSC曲线上扣除水分的影响后对其积分得出热解过程需热量的规律。结果表明,要使1 kg干小麦秸秆完成从常温303 K到673 K,773 K,873 K的升温和热解,所需的总热量分别为523 kJ,558 kJ,592 kJ。     

油页岩半焦矿物组分分析及其与玉米秸秆混烧特性

利用程序升温热分析技术对不同混合比下油页岩半焦/玉米秸秆进行了热重燃烧试验,并对不同燃烧终温下的油页岩半焦进行了X射线衍射XRD(x-ray diffraction)试验。研究了汪清油页岩半焦与玉米秸秆在整个混烧过程中各燃烧组分的变化,考察了汪清油页岩半焦的矿物组分对其影响,采用基于固体分解动力学的TG(thermogravimetric)曲线模拟法得到了混样各阶段燃烧组分的变化曲线。结果表明汪清油页岩半焦矿物质的分解与聚合反应主要发生在873~1023 K;混样的主燃烧阶段包含4个阶段,玉米秸秆的掺入有效促进了混样中挥发分的析出燃烧,并促使矿物质碳酸盐的分解向低温区迁移,而反应级数的改变可以作为各阶段燃烧组分变化的表征。研究结果可为油页岩半焦燃烧的工业化利用提供理论技术支持。     

草本类生物质与烟煤混烧特性及其影响因素分析

为了研究草本类生物质与烟煤的混烧特性,在空气气氛下分别对甜菜根、柳枝稷与烟煤的混烧特性进行热重试验,分析升温速率和质量配比对混烧特征参数的影响,并与纯烟煤的燃烧特征进行比较。结果表明:混合样品的着火温度远低于烟煤,但略高于纯生物质的着火温度,随着升温速率的提高,混合燃料着火温度逐渐提高。当生物质质量比例大于20%时,提高升温速率才能有效提高混烧样品的挥发分释放性能和综合特性指数,升温速率一定,生物质质量比例越大,混烧样品的挥发分释放特性指数和综合特性指数也越大,生物质质量比例为80%,升温速率为50℃/min时,混合样品有较好的燃烧性能。在10～90℃/min的升温速率范围内,柳枝稷混烧样品的燃烧特征参数均大于甜菜根混烧样品。研究结果可以为生物质与烟煤混合燃料的高效燃烧提供参考。     

水热生物炭燃烧特性与动力学分析

采用热重法对锯末、玉米秸秆水热生物炭燃烧特性及动力学进行了研究,考察了不同升温速率(10、20、40℃/min)对燃烧特性的影响,分析了它们的燃烧特性及动力学参数。结果表明:1)水热炭化前后生物质燃烧质量损失集中在挥发分和固定碳燃烧阶段,升温速率快,着火温度、燃尽温度高,整体向高温区转移,综合燃烧特性指数越大;2)40℃/min时,锯末水热生物炭综合燃烧特性指数远大于玉米秸秆,在其余升温速率下区别不明显;3)以20℃/min相同升温速率时,锯末、玉米秸秆水热生物综合炭燃烧特性相对于未炭化生物质下降27%、13%;4)采用一级反应动力学模型和积分法对水热生物炭燃烧动力学进行了研究,一级反应动力学能很好的描述2种生物炭的燃烧动力学,相关系数(R2)均高于0.9,挥发分阶段活化能大于固定碳阶段的活化能。研究结果可为水热生物炭的燃烧应用能提供理论指导。     

蒸汽爆破玉米秸秆热解特性及其动力学分析

生物质的热解作为生物质能研究开发的前沿技术已得到较为广泛的重视。本文采用热重分析法(thermo gravimetric analysis,TGA)对蒸汽爆破预处理后玉米秸秆的热失重特性及其动力学进行了研究。试样加热速率分别为10、20、30、40、50℃/min,加热终温为800℃,采用高纯氮气作为保护气体。结果表明：蒸汽爆破预处理后玉米秸秆在同样加热速率条件下,热解过程特性显著改变,最大热分解速率提高34.57%;分别利用Coats-Redfern法和Kissinger法确定了热解动力学参数,并获得热解动力学模型;试样与原玉米秸秆相比活化能（E）降低24.13%～32.56%,指前因子（A）提高8%～10%。     

食用菌菌糠的热解特性及动力学分析

为考察食用菌菌糠的热解特性和机理,该研究采用热重和热重-红外联用对香菇菌糠在氮气气氛下的热解特性进行研究,考察不同升温速率下菌糠的热重(TG)曲线和微分热重(DTG)曲线的变化规律,并对DTG曲线进行分峰分析,通过计算得到香菇菌糠热分解的反应活化能E、反应级数n及频率因子A,以及热解产物析出特性;在固定床上开展了香菇菌糠的定温热解试验,试验温度分别为500、550、600℃,并对三相产物产率和成分组成等进行了分析。结果表明:香菇菌糠热解可以分为3个阶段,水分析出段,热解段和炭化段,其中主要热解阶段为250～550℃,失质量率达到58%;升温速率对香菇菌糠热解影响不明显,但是随着升温速率的增大,试样的TG和DTG曲线向高温区移动;菌糠热解的表观活化能为66.33 kJ/mol,较低的表观活化能表明菌糠更容易发生热解。固定床定温热解结果表明菌糠热解气的主要成分为CO_2、CO、CH_4、H_2,4种气体成分含量由高到低为:CO_2、CO、CH_4、H_2;随着热解温度的升高,菌糠热解所得生物油成分以CxHyOz为主,表明菌糠热解生成的生物油具有一定的潜在利用价值;香菇菌糠热解半焦的主要成分是固定碳,相较于原料,挥发分的占比大幅度减少。     

碱木质素与油页岩共热解特性及动力学分析

通过油页岩与碱木质素的热解不但可以得到丰富的轻质气体,也存在着有害的含芳环结构化合物以及酚类化合物等物质,通过二者的共热解意在减小有害物质的生成,提高气产率。选取不同工况下碱木质素与油页岩进行共热解试验,并通过2种Model free动力学分析法对该混合试样进行拟合分析。结果表明:5个试样的失质量峰整体都具有相同的规律。油页岩与碱木质素的热解峰有叠加,具备协同的条件。碱木质素添加量为80%的混合试样对气产率存在抑制作用,其余混合比都使气产率增加。基于FTIR的检测,混合比对二者的共热解产量影响的研究中表明,向油页岩中添加80%的碱性木质素,可以减少芳环结构化合物与酚类化合物的生成。但对于H2O、CO、CO2、CH4的累积产量并未产生明显的影响。不同升温速率的试样中,芳环结构化合物、CO2、CH4的累积产量与升温速率和温度成正比,H2O、CO、苯酚类化合物则不同。通过2种Model free法对该试验数据进行拟合且效果较好,证明了该反应机理的复杂性。     

纤维素木聚糖和木质素含量对生物质热解特性及产物的影响

采用热重法研究了纤维素、木聚糖和木质素含量对生物质热解特性的影响,分析了三组分相互混合热解时的交互作用规律,及其对热解动力学参数的影响;同时,在生物质真空热解液化系统上考察了三组分含量对热解液化产物分布及生物油组成的影响。结果表明,纤维素热解较为剧烈,生物油中芳香族、糖类、醛类和醇类含量较高;木聚糖的热稳定性较差,生物油中芳香族、酮类和酸类物质较多;木质素热解较为平缓且固体残留物较多,生物油成分主要为芳香族化合物。纤维素对活化能和指前因子的影响较大,木聚糖和木质素对反应级数的影响较大;纤维素的热解有利于减少固体残留物,而木质素的热解产物有利于促进糖类的分解;木聚糖对纤维素的热解具有明显的抑制作用;木聚糖能促进木质素的低温热解,两者混合热解对生物油组成影响较小。因此,高纤维素含量的生物质可以获得更高的生物油产率,且适量的木质素有利于促进纤维素的分解,为进一步提高生物油产率和品质提供了理论依据。     

有机酸处理条件对玉米秸秆热解特性的影响

酸洗预处理能有效改善K^+对生物质热解的影响,该文利用热重分析仪和裂解-气相色谱质谱联用仪进行了玉米秸秆的热解试验,研究了不同有机酸酸洗浓度(3%、5%和7%)、酸洗温度(25、50和75℃)和酸洗时间(1、2和3 h)对玉米秸秆热解特性的影响。结果表明:酸洗能显著降低玉米秸秆内在K^+的含量;经过不同条件的有机酸洗预处理后,玉米秸秆的TG/DTG(thermogravimetry/differential thermogravimetry)曲线均向高温段移动,最大热解速率随着酸洗浓度和酸洗温度的增加逐渐增大,随着酸洗时间的增加先增大后降低,在酸洗温度为75℃时,最大热解速率达到最大值15.49%/min;与此同时,玉米秸秆热解主要产物为酚类、酮类和呋喃类化合物,酸洗后,其酚类物质产率明显增加,在酸洗浓度为7%时达到最大值16.75%,而酮类和呋喃类化合物产率减少,分别在酸洗时间为1 h和酸洗浓度为7%时达到最小值0.10%和7.13%。酸洗后,焦炭产率减少,在酸洗浓度为3%时达到最小值18.79%。通过研究不同处理条件下有机酸对玉米秸秆热解特性的影响,为生物质预处理中酸溶液的选择提供了参考。     

玉米秸秆与市政污泥混合热解特性及动力学分析

为探究玉米秸秆与市政污泥的混合热解特性,基于热重分析法,在不同升温速率(10、20和30℃/min)下对玉米秸秆、市政污泥及混样进行热重试验,同时采用Coats-Redfern积分法进行了动力学分析。结果表明:玉米秸秆与市政污泥相比热解特性差异大,残余率相差18.57%,综合热解指数相差35.73×10^-5,活化能E相差35.31~46.88 kJ/mol。随市政污泥的从10%到90%,热解起始温度由277.7℃下降至256.1℃,残余率由33.69%增加至45.83%,最大失质量速率由7.88%/min下降至3.11%/min,综合热解指数由8.5×10^-5下降至1.7×10^-5。表明市政污泥虽改善了混样的热解起始温度,但同时也使残余率增加,失质量速率变缓,综合热解指数降低。混样综合热解指数显示二者共热解整体存在抑制作用。动力学参数显示,升温速率升高使活化能增加,玉米秸秆单独热解过程所需活化能E大于市政污泥,市政污泥的质量分数从10%提高到90%,热解活化能由66.01~46.16 kJ/mol降低至44.47~17.04 kJ/mol。该研究可为玉米秸秆和市政污泥的利用提供基础支撑。     

柴油机燃烧甲醇/生物柴油尾气颗粒物热解特性分析

采集了甲醇/生物柴油(5%、10%、15%)混合燃料在柴油机燃烧的尾气颗粒。采用热重分析仪和切线法、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)热解动力学方法,研究颗粒挥发及氧化规律,分析了颗粒热解特征温度和活化能。结果表明:随着甲醇掺混量的增加,颗粒中H_2O的质量分数由2.6%增加到3.5%,可溶有机物(soluble organic fraction,SOF)质量分数由26.1%增加到32.5%,SOF的质量变化速率增大,对应的峰值温度后移;在O_2氛围中,SOF挥发阶段与在N2氛围中的表现基本一致,但质量变化速率明显增大;碳烟(soot)质量减小,由70.3%减少到63.8%,soot质量变化率峰值增大;SOF析出温度变化较小,soot起始燃烧温度明显降低,由488℃降低到458℃,SOF起始燃烧温度与燃尽温度均有所降低,颗粒的热解总反应时间缩短;颗粒的热解反应活化能由140.3 k J/mol降低117.3 k J/mol,颗粒的热解性能增强,颗粒更易被氧化。研究结果可为甲醇/生物柴油燃烧颗粒的处理及柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)再生提供依据。     

生活垃圾混烧秸秆类生物质颗粒CO和NO的排放特性

选取典型秸秆类生物质颗粒掺混垃圾作为研究对象,利用自制燃烧试验平台,研究掺混比、温度、粒径及生物质种类等因素对垃圾掺混生物质颗粒燃烧过程中CO与NO释放规律的影响。试验结果表明:CO排放量随着混合燃料中棉花秆颗粒含量增加而减小;混合燃料中垃圾掺混量高于棉花秆颗粒时,焦炭氮燃烧峰值随棉花秆含量增加而增大,掺混量低于棉花秆颗粒时,焦炭氮燃烧峰值逐渐减小,掺混比为5:5时NO生成量最低。燃烧温度为850℃时CO生成量最低;NO峰值时间随温度升高向前偏移,排放量呈先增大后减小趋势,较高的反应温度有利于降低燃烧过程中NO生成量。随着燃料粒径减小,CO峰值浓度降低;存在粒径临界值(60~80目),当粒径小于临界值时,NO生成量随粒径减小而减小,大于临界值时,NO生成量随粒径增大而减小。垃圾混烧生物质颗粒后CO生成量显著降低;掺混同质量分数生物质颗粒试样中,生物质颗粒氮含量越高,混合燃料燃烧NO生成量越大。该研究可为实际生产中城市生活垃圾混烧生物质颗粒技术及污染物排放控制提供参考依据。     

进气成分对柴油机燃烧特性的影响

为了研究进气成分对柴油机着火和燃烧过程的影响,在一台视窗上置式柴油机可视化实验装置上,用高速摄像机记录了油门全开时不同进气成分下柴油机燃烧过程的火焰照片,应用三基色法计算了燃烧温度场,结合示功图和放热率曲线分析了不同进气成分对柴油机燃烧特性的影响。结果表明:当进气成分不同时,缸内着火时刻、燃烧持续期、最大爆发压力和最大放热率均发生相应改变;同时,进气成分的改变对缸内最高温度和平均温度的影响较大;另外,进气同时加入2%H2和10%CO2可以在氧体积分数减少的情况下改善燃烧,有利于降低柴油机有害排放物的生成。研究结果为实现柴油机高效、低污染燃烧提供一种新的方法。     

活化赤泥催化热解玉米芯木质素制备高值单酚

木质素富含芳香基团,对其催化热解可制取高值单酚,然而木质素热解气组分复杂,易导致单酚收率低及催化剂快速积碳失活,不利于提高经济效益。该研究利用酸溶-碱沉淀耦合焙烧处理方法制备低成本活化赤泥催化材料,研究活化赤泥催化热解玉米芯木质素制取高值单酚化学品的影响规律,同时对玉米芯木质素及活化赤泥催化剂进行结构表征,并对活化赤泥的催化性能及应用潜能进行分析。结果表明:赤泥活化处理过程可显著改善其自身的表面形貌、孔结构和催化性能;相比于木质素常规热解,活化赤泥提升了生物油中苯酚、烷基酚等高值单酚的含量(60.38%);与商业分子筛催化剂相比,低成本活化赤泥可高效制取单酚,且具备较好的循环使用性能,能作为商业介孔分子筛的有效补充;同时赤泥和木质素2种废弃物耦合共处理,具备潜在的经济与生态环境效益。研究成果为赤泥和木质素等固废的资源化利用提供基础参考。