秸秆热解·燃烧特性及动力学研究

利用热重分析仪,采用热重-差热(DTA-TG)等现代分析测试手段,对石家庄近郊的水稻、小麦、玉米秸秆的热解和燃烧特性进行研究,确定不同升温速率下反应动力学参数。结果表明:秸秆热解分为4个阶段,即干燥阶段、过渡阶段、热解阶段、炭化阶段。随着升温速率的增加,第一阶段的终止温度相似,第二至四阶段中,随升温速率的提高,热解起始温度、质量损失速率最大时候的终止温度和最大质量损失率均提高;秸秆燃烧随着升温速率的增加,秸秆的挥发分析出燃烧温度与固定碳开始燃烧温度都随之变大;研究不同升温速率下的动力学模型,发现秸秆热解和燃烧的动力学参数有所不同;对比不同种类的秸秆燃烧与热解的特性,发现同一地区的玉米秆、稻秆和麦秆这3种生物质的热解与燃烧规律基本一致。     

升温速率对成型生物质热解过程的影响

【目的】研究不同升温速率下成型生物质的热解炭化规律。【方法】采用自行设计的热解试验装置,测定不同升温速率(5,7,10,15℃/min)条件下成型生物质热解过程中失重(TG)、失重速率(DTG)、工业成分(挥发分、灰分、固定碳含量)的变化及所需的活化能。【结果】通过动力学拟合,得到描述成型生物质热解过程的最合理机理函数,据此推测成型生物质热解反应机理为内扩散控制过程。当升温速率为10℃/min时,热解过程活化能最小,为195.52kJ/mol。在不同升温速率下,成型生物质热解过程中的TG曲线逐渐向高温区移动,且失重速率呈先增大后减小的趋势,在升温速率为5,7,10,15℃/min时,成型生物质的失重速率分别在322,427,448,554℃时达到最大,其值分别为0.804,0.649,0.512,0.466%/℃,可知在成型生物质热解炭化过程中,随着温度的增加失重速率呈先增大后减小的趋势,达到最大失重速率时的温度随升温速率的增大而升高,热解后成型生物质固定碳含量随着升温速率的增大而降低。【结论】较低升温速率热解有利于成型生物质热解成炭。     

毛竹热解特性及其动力学分析

采用热重分析方法,分析毛竹在不同原料粒径、升温速率及添加无水碳酸钠、氯化钠条件下的热解特性及热解动力学规律.结果表明,不同升温速率及不同原料粒径的毛竹的热解过程基本相似,可分为脱水阶段、快速热解阶段、慢速热解阶段;随着原料粒径、升温速率的提高,毛竹快速热解的起始温度和结束温度向高温方向移动;添加剂无水碳酸钠和氯化钠对毛竹热解都有不同程度的抑制作用.采用Coats-Redfem积分法计算毛竹热解动力学参数,结果表明升温速率对毛竹热解活化能无显著影响,热解活化能随着原料粒径的增大而增大,毛竹粒径为0.07-0.10 mm时最低热解活化能为11.092k J·mol-1.     

基于微分积分法和Friedman等转化率法的生物质热解动力学研究

生物质热解动力学是生物质热解反应器设计和优化的理论基础。本文在5、10、15℃/min等3种不同升温速率下对核桃壳、纤维素以及木质素进行了热重分析,并通过微分积分法和Friedman等转化率法进行热解动力学研究。结果表明,木质素含量高的生物质固体残渣含量高,反应速率低;纤维素含量高的生物质固体残渣少,反应速率高;升温速率的加快会使最大失重速率增大,热解过程向更高的温度范围移动。对3种生物质样品进行热解动力学研究,发现微分积分法的R2明显高于Friedman等转化率法,计算的动态参数更准确可靠;微分积分法中一维扩散反应模型（D1）是反应核桃壳、纤维素和木质素热解过程的机理模型,该方法计算得到的3种生物质样品活化能表现为纤维素>核桃壳>木质素。     

谷子秸秆的热解特性及傅里叶红外光谱分析

为深入探讨谷子秸秆热解工艺的过程和机理,采用热重分析仪(TGA)对比分析了谷子秸秆在5个(5,10,15,20,25℃·min-1)不同升温速率下的热解特性,使用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)和Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)两种方法分别计算了谷子秸秆在13个(15%~75%)转化率下的活化能值及其偏差,同时选取不同终止温度(半纤维素反应后、峰值以及纤维素反应后所对应的温度),采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析谷子秸秆热解剩余物的有机结构。结果表明:谷子秸秆的热解过程可分为四个阶段,并且在5种升温速率下的热解趋势相似,但随着升温速率的提高,热解会出现热滞后现象。通过KAS方法计算的活化能值为52.93~103.95k J·mol-1,FWO方法计算的活化能值为54.85~104.31k J·mol-1,FWO方法获得的活化能值略高于KAS方法 ,数值的差异是因为计算过程中选取的近似值不同,虽然两种计算方法的准确性不同,但计算的活化能值都随转化率的升高先下降后上升,最高的活化能值出现在转化率为75%时,此时处于热解反应的后期,反应的进行相对困难,这表明木质素的分解相对困难。同升温速率、不同终温下热解所得谷子秸秆的红外光谱图整体走势一致,主要基团吸收峰的位置变化不大,但吸收峰的强度有明显差异,当终止温度超过400℃时,甚至有个别吸收峰慢慢消失,此时谷子秸秆高分子聚合物基本上都已经被分解成小分子。升温速率对整个热解过程的影响不大,不同升温速率下,热解的终止温度相近时,剩余物的成分相似,光谱图的曲线也趋于一致。为生物质热解反应器的设计提供了合理的科学依据。     

基于热重红外联用技术的竹综纤维素热解过程及动力学特性

利用热重红外联用技术(TG-FTIR)研究了竹材综纤维素在不同升温速率下(5.0, 10.0, 15.0, 20.0和30.0℃·min-1)的热解特性和热解动力学。热重分析/热重一次微分曲线(TG/DTG)表明:竹材综纤维素热解可分为干燥、快速裂解和慢速裂解等3个阶段; 随着升温速率增加, TG/DTG曲线往高温一侧移动; 竹综纤维素热解过程发生复杂的化学反应, 包括多重、平行和连续反应; 热解挥发分主要由小分子CO, H₂O, CH₄和CO₂, 以及一些醛类、酮类、酸类、烷烃、醇类和酚类等有机物组成。利用无模式函数积分法, 即Flynn-Wall-Ozawa(FWO)和Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)积分法, 对其热解动力学进行研究。结果表明:竹材综纤维素的活化能随着转化率的升高先增大后减小再增大, 活化能数值的变化与纤维素/半纤维素不同的热解特性有紧密联系。     

不同升温速率下落叶松的热解特性研究

为深入探讨落叶松热解机理,获得更多高品位的实用燃料。采用热重法对比分析了落叶松在3组不同升温速率(15～55,110～150,210～250℃·min~(-1))下的热解特性,利用Coats-Redfern方法计算了落叶松在低升温速率(15,25,35,45,55℃·min~(-1))下的活化能值,同时采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析法对落叶松原物料和不同终止温度下的热解剩余物的化学结构进行了对比分析。结果表明:落叶松的热解过程分为干燥、预热解、热解和炭化四个阶段,主热解反应在200～400℃,随着升温速率的提高,最终失重率没有明显变化,最终固体残留物的质量分数在19%～22%,但是最大热解速率随着升温速率的提高从8.95%·min~(-1)增大到144.35%·min~(-1)。落叶松在低升温速率下热解趋势相似,随着升温速率的升高,TG热解出现热滞后现象,DTG主热解区间所需的温度范围扩大;在两组高升温速率下,整个TG曲线排列不再呈现上述规律,DTG曲线在纤维素和半纤维素热解峰区域仍表现出与低升温速率相同的变化规律。Coats-Redfern法计算落叶松低升温速率下的热解活化能值为81.28～95.61kJ·mol~(-1),拟合曲线表现出了良好的线性关系,表明落叶松的热解为一级反应。在不同低升温速率、相同终止温度下落叶松样品FTIR光谱图整体走势基本一致,随着热解反应的进程,主要基团吸收峰的位置变化不大,但在相同的吸收峰处存在明显的强度变化,部分吸收峰的强度逐渐降低甚至消失,说明此时落叶松的组成及组分含量发生了变化,热解基本完成。本研究为生物质热解工艺提供了理论依据和参考数据。     

TG-FTIR联用下生物质废弃物的热解特性研究

采用TG-FTIR(热重-傅立叶红外光谱)联用的分析方法对红松锯屑的热解失重特性和产物生成特性进行了研究.结果表明,红松锯屑热解失重的主要阶段发生在200～450℃间,反应符合一级反应动力学模型,活化能在70～80 kJ·mol-1之间.小粒径有利于热解反应的进行,且该现象随着升温速率的增大而变得显著,但在本实验的梯度水平下粒径对热解特性的影响相对较小.升温速率对热解特性的影响相对较大,高的升温速率导致热解起始温度和失重峰温度向高温区移动,加快了热解进程,且升温速率达到50 K·min-1时,在735℃左右观察到特殊失重峰.FTIR的实时分析结果表明,热解的气态产物主要有CO2、CO、CH4和其他低分子烃类,通过对产物浓度变化的半定量分析,验证了粒径对热解特性的影响效果以及735℃左右特殊失重过程的存在.     

模拟利用太阳能预处理玉米秸秆压缩成型试验

为了降低玉米秸秆在热压成型工艺的热能输入及成型过程中的压缩能耗,首先检测了太阳聚光板焦点温度的波动范围,然后分析了在类似波动温度下秸秆的分解行为,最后采用模拟利用太阳能替代传统玉米秸秆热压成型工艺的热源,以之预处理软化秸秆,对比压缩成型的能耗变化。结果表明,太阳能聚光板聚光焦点温度速率的波动基本维持在±15℃/min左右,且该工艺仅适宜于晴天或多云天气条件下进行。模拟利用太阳能热解秸秆的热重曲线整体与恒定升温速率下的趋势相同,起始热解温度也维持在260~280℃,且秸秆热解的动力学参数也符合传统生物质热解动力学的一般分析情况。为了避免秸秆受热分解,利用太阳能预处理秸秆温度范围为0~250℃。经模拟太阳能预处理后的玉米秸秆压缩比能耗为24.015 J/g,与未预处理的秸秆样品相比必能耗降低1.194 J/g。     

典型农作物秸秆组成及燃烧动力学分析

为了探讨我国典型区域典型农作物秸秆的组成及燃烧特性,在典型农作物种植区(河北省和吉林省)选择了三种典型秸秆(小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆),对其进行组分分析(工业分析、元素分析、纤维组成),借助差热-热重仪对其燃烧动力学特性进行研究。结果表明:三种秸秆中水稻秸秆灰分和综纤维素含量最高,小麦秸秆中S、Hg含量最高,其他工业分析(水分、挥发分、固定碳)和元素(C、H、O、N)组成均无明显差异。不同升温速率下,三种秸秆的TG和DTG曲线总体趋势相似,两个明显的失重峰分别对应挥发分的析出和燃烧阶段、固定碳燃烧阶段,且前者的失重率远高于后者;同一升温速率下,三种秸秆在低温燃烧区(挥发分析出和燃烧)的最大失重率由高到低依次为小麦秸秆水稻秸秆玉米秸秆,而高温燃烧区(固定碳的燃烧)玉米和水稻秸秆的最大失重率没有明显差别,均高于小麦秸秆。秸秆低温区燃烧和高温区燃烧动力学过程均符合二级燃烧动力学方程。研究表明,三种秸秆具有高挥发分、低灰分(水稻秸秆除外)、低硫的特点;秸秆的燃烧失重主要是挥发分的析出和燃烧,其次是固定碳的燃烧,而水分蒸发贡献量最少;快速失重峰形不仅与秸秆的组成有关,还与挥发分初析温度高低有关;双组分分阶段反应模型能够科学地描述农作物秸秆的燃烧动力学过程。     

几种生物质热解炭基本理化性质比较

生物炭由生物质材料在无氧或缺氧条件下经高温裂解形成,是土壤改良和废弃物处理的良好改良剂。选取五种生物质原料(大豆秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、稻壳和松针,均为农林废弃物),经300、400、500、600和700℃热解2 h,测定其结构及理化性质。研究结果表明,生物炭炭化结构良好清晰;生物质形成生物炭在BET比表面积、T-PLOT微孔容积、p H和阳离子交换量值方面均随热解温度升高而升高,大豆秸秆和玉米秸秆比表面积在700℃时达到最高;平均孔径随热解温度升高有一定程度下降;700℃下水稻秸秆和稻壳形成生物炭具有最高硅含量。除松针炭外,其余各生物炭呈碱性。     

污泥与秸秆共热解制备生物炭研究进展

热解是实现农业废弃物资源清洁、高效利用的重要技术。将污泥与秸秆混合共热解是生物质资源利用的重要方法,两者混合热解制备生物炭不仅能同时处理2种数量庞大的农业废弃物,还能有效解决能源短缺和环境污染带来的问题。本文综述了污泥与秸秆共热解制备生物炭的研究进展,介绍了共热解产物污泥-秸秆炭对土壤的改良作用和吸附炭的利用,以及热解温度、混合比例、停留时间、升温速率、催化剂添加等热解工艺对污泥-秸秆炭的影响,并对污泥与秸秆共热解技术的发展前景进行了展望。     

不同供热能源烤烟经济效益对比分析

为发展绿色烘烤,提高烤烟烘烤经济效益,选择当前烤烟供热新出现的生物质成型颗粒燃料、空气源热泵、燃气和醇基液体燃料清洁能源,通过2年间采集5个重点种烟省份8个大型烟叶烘烤工厂的烘烤数据,统计分析其各项经济效益指标。结合前人研究方法、收集现有报道的文献进行综合经济效益分析,结果显示,空气源热泵单炕的烘烤成本略高于燃煤,可作为烤烟供热最佳的后备热源;燃气和醇基燃料使用成本较高,当前不适合大面积推广;生物质成型颗粒燃料能够实现烟草废弃物的循环利用,是现阶段烟叶烘烤最佳的燃煤替代能源。     

秸秆成型燃料热风采暖炉炉膛温度分布试验与分析

[目的]了解生物质成型燃料热风采暖炉炉膛的温度分布。[方法]在风门αpy为1.20、1.60、2.30、3.50 4种工况下,分别对秸秆成型燃料热风采暖炉炉膛温度分布进行分析。[结果]炉膛垂直方向、深度方向4种不同工况的温度变化呈现相似规律,炉膛宽度方向的温度分布不同。在燃料层内,炉温增加到一定程度突然增高,达到最高值。进炉口处炉温较低,距炉口15 cm处4种工况的炉温达到峰值。工况2、3炉膛空气与燃料混合良好,燃料燃烧速度快,炉温较高,且随炉膛深度增加,炉温变化幅度小。[结论]当αpy为1.6时秸秆成型燃料热风采暖炉的炉膛温度在炉膛垂直方向、深度方向、宽度方向分布均匀,燃料燃烧速度快,燃烧效率高。     

基于TG-FNIR联用分析的农业固体废弃物热解特性研究

[目的]研究稻秆的热解及产物生成特性。[方法]采用热重（TG）与傅立叶近红外（FNIR）联用的方法（TG-FNIR）研究稻秆热解过程的影响因素及其产物生成特性。[结果]升温速率和粒径对稻秆的热解特性均具有一定的影响,升温速率越高,热解起始温度和失重温度越大,粒径越小越有利于热解;FNIR分析结果表明,热解初始阶段的气态产物主要是水蒸气和少量的CO及CO2,随着温度的升高,热解的主要气态产物变为CO、CO2、CH4以及小分子烃类。[结论]该研究清楚地了解了稻秆整个热解过程的状态及其产物的生成情况。     

循环床式生物质内热热解装置研究

生物质热解是一种高效的生物质能转化技术。循环床式生物质内热热解装置在热解的同时,可直接利用空气流冷却热解气产生的热空气对反应池中直接加入的未干燥原料进行预热干燥,减少系统的热量流失,同时解决原料的干燥问题,并减少原料加入反应池前的干燥工序。经过一段时间的干燥后,新鲜生物质的含水率可从46%降至7%左右。该系统装置节约了能量,提高了能源利用效率,对解决日益紧张的能源问题具有重要意义。     

生物质成型燃料的热解燃烧特性试验研究

研究了棉杆成型块等生物质固体燃料在小型移动层上吸式热解燃烧炉中的热特性.结果表明,密度较大的棉杆成型块升温速率和降温速率均较低,挥发份的逸出时间增加,高温燃烧时间延长,炉子的热效率提高.棉杆成型块在炉胆中的充填量对可燃气体的稳定燃烧和高温火焰的持续时间影响显著.填满炉胆的棉杆成型块的燃烧性能优于棉杆,其燃烧热效率达39.3%,为棉杆的1.72倍.     

东北地区秸秆燃料化利用发展模式探究

为了研究秸秆燃料化利用不同技术装备特点,探索适宜东北地区的秸秆燃料化利用模式与发展路径,通过实地调查,结合实际运行经验与成本效益,分析了东北地区秸秆燃料化利用现状、工艺特征与发展优势,归纳总结了适宜农村分散居住形式的“一村一厂”分户式秸秆压块利用模式;适宜村镇公共事业单位大面积的采暖生物质锅炉改造供热模式,与燃煤锅炉相比,采暖期节支成本约为30%;秸秆打捆直燃技术,适用于城市或乡镇大中型锅炉的集中供热模式,运行成本更加低廉,与燃煤锅炉相比,采暖期节支成本可达30%～36%。针对秸秆燃料化利用存在的关键问题,在强化组织领导、创新发展理念、健全市场化机制,注重技术支撑、加强宣传与意识提升方面提出对策与建议,从而为东北地区秸秆燃料化利用发展提供理论支撑。     

生物质热解液化技术的生命周期评价

为探究生物质热解液化技术能源转化过程的效率、经济性及温室气体排放,依据全生命周期评价分析原理,建立废弃秸秆热解制备液体燃料技术全生命周期模型,对该过程进行全生命周期分析,评价范围包括秸秆的收集和运输、干燥和粉碎、生物质热解、木炭加工和余热利用。结果表明：生物质热解液化技术的能量产出投入比为20.43;处理湿秸秆的纯利润约为289.38元/t,销售利润率达52.11%;CO₂当量排放为34.10 g/MJ。生物质热解液化是一种兼具能量效益、经济效益和环境效益等极具潜力的生物质利用技术。     

生物质原料及炭化温度对生物炭产率与性质的影响

本研究以竹片、山核桃壳、水稻及油菜秸秆等4种生物质为原料,通过热重分析研究各生物质材料性质与热解特性及生物炭产率之间的关系;并在300～700 ℃下热解6 h制备生物炭,分析生物炭的元素组成及官能团结构。结果表明,在低温段（300～400 ℃）,生物质材料中的纤维素、木质素等组分对生物炭产率影响较明显,木质素含量高的材料产率较高;而400 ℃以上则是灰分含量对生物炭产率影响较大,水稻及油菜秸秆由于灰分含量高,其400 ℃以上的生物炭产率高于竹片及山核桃壳。随着炭化温度的升高,生物炭灰分含量增加,无灰基的碳含量增大,稳定性增强;仅水稻秸秆炭由于灰分含量较高,在高温（500～700 ℃）条件下仍有部分含氧官能团存在。综上,生物炭在一定温度下的产率取决于生物质材料来源,而生物炭的稳定性则主要由炭化温度决定,且温度越高,性质越稳定。