基于TG-FTIR分析的稻壳热解特性实验

在热重分析仪上研究稻壳不同升温速率(20℃/min,40℃/min,100℃/min)下的热解过程,并运用热重—红外光谱联用技术(TG-FTIR)对稻壳热解过程中气相产物随温度变化的释放规律进行实验研究。结果表明:升温速率越高,热解反应的温度区间越大,热解过程各阶段的起始和终止温度均向高温侧移动;当升温速率为20℃/min时,热解最充分,挥发分析出量最多;热解气态产物主要为CO+2、CO、CH+4和H+2O等小分子气体,不同热解阶段气体析出量差别很大,这与DTG曲线变化规律相吻合。热解不同产物的析出特性由稻壳内部官能团重组、断裂引起。运用Coats-Redfern法对稻壳热解行为进行动力学分析,结果表明升温速率增加,热解活化能逐渐减小,有利于热解的进行,其表观活化能在70~95kJ/mol范围内变化。     

典型废弃生物质的热解特性研究

对6种典型废弃生物质(锯末、稻壳、纸屑、橱芥、废塑料、废橡胶)进行热重实验分析及热解动力学分析;同时,利用TG/DTG曲线分析了它们的基本热解特性,包括热解区间、最大热解速率的温度、不同加热速度等对热解进程的影响等;通过热解动力学分析,给出了基本的热解动力学方程,研究了各种原料在不同升温速率下的热解动力学参数,为废弃生物质制取生物质能源技术提供基础数据.     

醋糟热重实验及热解动力学特性分析

对生物质醋糟进行热重实验研究,分析醋糟在不同升温速率、不同粒径下的热解特性的规律。实验结果表明:当升温速率依次增加时,对醋糟热解反应的进行有着明显的促进作用;不同的醋糟颗粒粒径对其热解特性的影响比较小。通过Satava—Sestak积分法来求解醋糟的热解动力学参数,得到最符合醋糟热解的机理函数的积分形式为[-ln(1-α)]~3,由计算结果得出活化能的平均值为1.44×10~5J/mol,指前因子的平均值为8.47×107 min~(-1)。     

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。     

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。     

变速升温对玉米秸秆热解产物特性的影响

通过玉米秸秆的变速升温及传统匀速升温热解试验,对不同热解形式下生成的生物炭、生物油及热解气进行检测分析,探究升温速率对其热解产物特性的影响。试验表明,玉米秸秆减速升温生物炭得率和热解气得率分别为29.82%和27.49%,而加速升温的产物中生物油所占比例较大。通过热重试验及气相检测,发现不同的升温设置改变了生物质热解进程。此外对非冷凝气体进行气相检测分析发现,CO、CO2先于CH4溢出,而H2的溢出浓度随着热解温度的升高而增大。对生物油主要成分的检测分析发现,减速升温所制生物油的主要成分为小分子物质,大分子有机物含量很少,而加速升温可以得到更加丰富的多环芳烃。通过对产物的对比分析发现,在相同的热解时间下,减速升温速率设置不仅可以保证热解产物中较高的生物炭得率,且热解气得率比匀速升温试验增加4.49%,生物油相得率减少4.51%,且稠环芳烃含量较少。优化升温速率设置可提高生产效率,从而为生物质热解工程中的炭气油联产提供新的思路。     

稻壳热解动力学研究对比及理化性质分析

通过对稻壳的理化分析后,分别以在10、15、20℃/min升温速率下的热解研究,有效分析升温速率、热解时间、热解特性等对其过程的影响。研究表明,稻壳的热解过程大致分为失水和预热、快速热解断键和炭化3个区间,并采用二级反应动力学模型,由Coats-Redfern法求得相应的活化能和频率因子,从而得到热解动力学参数,对稻壳的高效炼制条件优化及设计相关的炼制装备提供研究基础。     

玉米芯半焦CO2等温气化特性及动力学

为研究玉米芯半焦在CO2气氛中的气化特性，采用等温热重法考察了5、40、100℃/min热解升温速率和800～1 000℃反应温度对气化反应活性影响的程度。结果表明，随着热解升温速率的提高，半焦气化的总反应速率有所提高，完成反应所需要的时间相应减少。反应温度对整个气化过程有着重要的影响。随着温度的升高，反应速率明显加快，反应时间显著缩短。通过扫描电镜观察了不同热解升温速率下半焦的表面形态，表明热解升温速率越高，半焦表面的孔径越大，孔结构越发达。对比分析可知，反应温度比热解升温速率对气化过程有着更加重要的影     

升温速率和水分含量对木屑热解过程和特性的影响

以木屑为研究对象进行热重分析试验，利用TG／DTG曲线分析了木屑热解的基本特性，包括热解区间、最大热解速率对应的温度、不同加热速率和水分含量对热解过程的影响。试验结果表明：木屑的失重过程主要由干燥、预热、挥发分析出和炭化4个阶段组成；随着升温速率的增大，TG和DTG曲线移向高温区，半焦产率降低；水分含量的增大在一定程度上促进了木屑热解反应的进行，使半焦产率升高。     

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。     

基于生物质真空热解液化技术的生物油制

以杉木屑、玉米秸秆和稻壳等7种生物质为原料,在自行研制的真空热解装置上进行生物质真空热解制取生物油的实验研究.7种生物质的生物油产率均大于55%,杉木屑的生物油产率达67%以上.生物油成分分析结果表明,生物油是一种含氧量较高的有机混合物,7种生物油所含化合物类型相似,但具体化学组分及其相对含量有所差别.杉木屑生物油中苯酚及其衍生物的含量较高,达72.81%,仅杉木屑生物油中含有丁香酚,丁香酚的相对含量为4.12%.     

木屑、稻壳和煤混合型煤压缩成型过程建模与工况优化

基于已有文献实验数据,建立了木屑和煤、稻壳和煤混合压缩成型过程LS-SVM模型。结果表明,两种模型预测值与实验值相对误差最大值分别为3.46%、5.83%,两类型煤混合压缩成型过程具有较好的模拟效果。在此基础上设计拟合了两类型煤混合压缩成型过程多目标优化目标函数,寻优分别得到木屑、稻壳与煤混合型煤压缩成型过程Pareto最优解集。依据生物质固体成型燃料标准和生物质型煤综合性能CV值,进一步从Pareto最优解集中选出了对木屑和煤、稻壳和煤混合型煤不同指标要求下的压缩成型工艺过程运行工况的优化目标值。     

煤与生物质恒温热解比较研究

在实验室自制固定床热解反应器中,选择了两种煤(神华煤和灵武煤)和3种生物质(花生壳、核桃壳和木屑)作为实验材料,定量化分析比较了恒温热解和同温热解停留时间对煤与生物质热解产氢及热解油、热解焦产率的影响.研究认为:实验用煤与生物质催化热解表现出基本相同的热解趋势,即提高热解温度和延长热解时间(对生物质添加合适催化剂)都有利于产氢;对煤而言,提高热解温度和延长热解时间还利于热解油生成,但对生物质而言,效果不很明显.     

水气双向分离式生物质连续热解中试设备的研制

针对现有生物质热解设备存在的热解气中水分含量高及设备密封性差等问题,结合农业废弃物原料特征,提出了水气双向分离热解工艺方案,在此基础上,对水气双向分离热解反应器、进料和冷却出炭装置进行了专门设计,开发了水气双向分离式生物质连续热解中试设备。设备运行检测结果表明,以玉米秸秆为原料,原料处理能力27.6 kg/h,生物炭得率32.2%,热解气产率0.41 m3/kg,热解气热值15.3 MJ/m3,热解气含水率6.82%,各项技术指标均达到设备设计目标与要求。该中试设备的开发为设备示范应用提供了基础支撑。      

基于炭气原位耦合重整的秸秆热解设备的研制

针对当前生物质热解炭化设备存在产物质量较差、能量损耗严重等问题，采用多级布风搅拌和气体回流重整等方法，提出生物质炭气原位耦合重整工艺路线，并对炉体、压实机构和多级布风搅拌出料机构进行设计，研发立式移动床生物质炭化设备。以花生壳为原料开展热解炭化试验，结果表明，原料处理能力1312 kg/h，生物炭得率27.8%，热解气热值6.3 MJ/m3，焦油转化率71.3%，各项性能指标均达到设计要求。      

棉秆生物炭去除水中Zn(Ⅱ)的试验研究

为探究棉秆生物炭(棉秆炭)对重金属Zn(Ⅱ)的去除作用,利用水平管式炉分别在400℃、500℃、600℃热解温度下制备棉秆炭,进行Zn(Ⅱ)的吸附试验。对比棉秆炭、木质和煤质活性炭对不同浓度溶液中Zn(Ⅱ)的去除效果。分析棉秆炭的元素含量和官能团变化等性质,以揭示吸附机理。结果表明,棉秆的DTG曲线在327℃出现最大值,温度高于600℃时,DTG曲线趋于稳定,棉秆的热解基本完成。随热解温度的升高,炭产率、H/C和O/C元素比均下降,说明棉秆炭芳香化程度和碱性增强,含氧极性官能团数量减少,红外分析印证了以上结论。去除率上,棉秆炭与Zn(Ⅱ)初始浓度和热解温度负相关,木质活性炭与Zn(Ⅱ)初始浓度正相关;吸附量上,棉秆炭、木质和煤质活性炭与Zn(Ⅱ)初始浓度正相关,棉秆炭与热解温度负相关。当Zn(Ⅱ)溶液浓度为2 mg/L时,棉秆炭的吸附性能优于木质和煤质活性炭,当Zn(Ⅱ)溶液浓度为10 mg/L、50 mg/L时,木质活性炭的吸附性能优于棉秆炭和煤质活性炭。棉秆炭吸附Zn(Ⅱ)的机理包含配位反应和离子交换。     

牛粪、鸡粪和稻秆混合的沼气发酵特性与工艺优

采用可控恒温厌氧发酵装置,选用牛粪、鸡粪、稻秆3种原料,按干物质比例0∶2∶1、0.4∶1.6∶1、0.8∶1.2∶1、1.2∶0.8∶1、1.6∶0.4∶1、2∶0∶1混合,研究了各配比在15℃、20℃、25℃、30℃下的厌氧发酵情况.结果表明:随温度升高,各配比产气速率和累积产气量均增大,15℃下发酵周期最长,其他温度对发酵周期影响无显著差异;不同配比下,累积产气量均呈先增大后减小的趋势,牛粪、鸡粪、稻秆3种原料混合的发酵效果显著好于牛粪与稻秆、鸡粪与稻秆2种原料混合的发酵效果,但配比对发酵周期无显著影响.通过模型预测,得到最优工艺组合,在发酵温度为30℃,牛粪、鸡粪与稻秆配比为1.22∶0.78∶1时,可获得最大累积产气量为28308.7mL.     

层流炉气流温度场的显示与控制

为了研究生物质在闪速加热条件下的热解特性,设计了以等离子体加热、硅碳棒外部保温的新型层流炉装置;并利用该装置进行了稻壳粉末闪速热解实验,对层流炉反应管内气流温度场进行了实时检测.实验结果表明,该设备能够使层流炉反应管温度保持恒定,满足生物质挥发特性实验要求;稻壳挥发百分比数据与建立的理论模型计算结果相吻合,表明该模型可以描述生物质闪速热解特性.     

物料种类对热解液化生物油成分的影响分析

以小型流化床做反应器,采用高铝矾土做床料,将玉米秸秆、松木屑等4种物料分别在500℃下进行热解,将热解气液化后得到的生物油进行成分分析。结果表明:不同种类生物油主要组分基本相同,都是酸类物质含量最多,但具体化合物种类及其相对含量具有一定的差异;玉米秸秆生物油中乙酸含量最大,其余主要是2-呋喃乙醇、2-环戊烯酮、苯酚及其衍生物,另外3种生物油羟基乙酸含量最大,苯酚类物质在不同生物油中含量相差不大,其中稻壳生物油含有较多的3,4-二羟基甲苯;大量醛、酮取代基苯酚类化合物的存在证明了生物油具有高的含氧量和亲水性,使得生物油含水率高而且不易除去。