不同比例小麦秸秆与烟煤混燃特性研究

以小麦秸秆和烟煤为研究对象,基于同步热分析技术,研究了小麦秸秆掺混质量分数为100%、60%、40%、20%、10%和0的动态燃烧特性,并优化了小麦秸秆与烟煤的掺混比例。研究结果表明,烟煤燃料比远大于小麦秸秆,说明烟煤更利于燃烧。从灰分特性分析,混燃有利于降低秸秆积灰和结渣风险。从混燃的燃烧速率(DTG)曲线可以看出,随着小麦秸秆质量分数降低,挥发分阶段燃烧速率由2079%/min逐渐降低为208%/min。小麦秸秆固定碳燃烧阶段最大速率(4033%/min)出现在419℃。由于烟煤质量比例的增加,混合燃料热稳定性提高,固定碳燃烧阶段逐渐向高温方向移动至525℃,并在过渡阶段出现2个燃烧峰。着火温度随着秸秆添加比例的降低逐渐升高,秸秆质量分数大于20%的着火温度区间为260~268℃,此时着火性能相比小麦秸秆并无显著下降。随着秸秆比例降低,燃尽温度则由520℃缓慢上升至596℃。从综合燃烧特征指数(SN)分析,在秸秆质量分数不小于40%时,SN大于3.60×10-7%2/(K3·min2),此时混燃组合可保证较好的燃烧特性。由差时扫描量热(DSC)数据分析可知,小麦秸秆质量分数为40%时,整体放热量为单独烟煤的84.14%。在提高整体放热量并保证较好燃烧特性的原则下,与烟煤掺混的小麦秸秆添加40%为较优比例。     

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。     

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。     

典型农业生物质化学特性的比较与分析

以安徽省、江西省和上海市的典型生物质农作物秸秆(水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆)作为研究对象,通过测试生物质的化学组成特性,比较分析不同种类秸秆性质的异同,推断不同秸秆适宜的能源化利用途径。结果表明:玉米秸秆热化学转换时更易转化为CO、CO2,棉花秸秆热化学转换时更易转化为CH4;棉花秸秆不适合热裂解液化生成生物油,其次为玉米秸秆;水稻秸秆更适合生产乙醇;油菜秸秆不适于直燃发电。本研究可以为3个地区不同类型生物质能源利用时的原料选择及热化学转化设备的改进提供参考。     

煤与生物质混合燃烧过程中碱土金属对SO2析出特性影响的研究

通过酸洗和加入添加剂的方法调整生物质与煤中碱土金属的含量,通过快速智能定硫仪测定不同含量的碱土金属对硫析出的影响后,利用热重分析仪（TG）及色谱质谱联用仪（GC／MS）研究了煤与生物质混合燃烧过程中碱土金属对硫迁移的影响规律。研究结果表明：典型碱土金属Ca和Mg对煤与生物质混合燃烧速率以及SO2的析出特性都有不同程度的影响,其中Ca在整个燃烧过程中表现出很强的固硫作用,而Mg的固硫作用主要表现在低温阶段。     

发展秸秆气化技术是我国秸秆能源化利用的有效途径

秸秆气化集中供气技术,采用了类似发生炉煤气的制气原理,使农作物秸秆等生物质原料在控氧状态下燃烧反应,将生物质的主要成份碳、氢(木质素、粗纤维、氢、氧)等元素转化为可燃的一氧化碳、氢、甲烷、丙烷等气体,秸秆中大部分能量转移到气体中;再去除可燃气体中的灰分、焦油等杂质,可燃气体通过管网送入用户燃烧时,能量就释放出来。秸秆气化技术是一种热化学处理技术,采用工程设备     

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。     

柴油/甲醇燃烧微粒热解化学反应参数研究

应用热重/差热同步分析仪,在氧气氛围下对柴油/甲醇(M0/5/15)燃烧微粒进行了热解过程试验,得到了微粒的失重曲线和燃烧速率曲线。根据试验数据分析了微粒的热解过程、着火温度和燃尽特性指数,并计算了微粒的热解动力学参数。结果表明,随着甲醇掺混比的增大,微粒中挥发组分的质量减少,第1温度区间的热解速率峰值减小,固定碳颗粒的质量增加,第2温度区间的热解速率峰值增大;微粒的反应活化能降低,热解性能增强;微粒的着火温度降低,燃烧特性指数和燃尽特性指数上升,微粒的燃烧效率提高。     

滴灌对农田N2O排放影响的研究进展

灌溉作为调控土壤水分状况的重要措施,直接影响农田温室气体的排放过程。滴灌是一种高效节水灌溉技术,其对温室气体排放的影响受到广泛关注。通过查阅大量文献,综合分析了滴灌对农田土壤N2O排放影响的研究进展与发展趋势。文献资料显示,滴灌通过调控土壤湿度和温度环境,改变土壤微生物菌群和土壤中气体传输速度,进而影响土壤N2O的产生以及排放速率;与其他灌溉方式相比,滴灌不破坏土壤结构,土壤内部水、肥、气、热条件稳定,适宜于作物生长,有利于土壤有机氮的矿化。但目前滴灌条件下温室气体排放的空间异质性和多种温室气体的同步定量研究等方面仍存在一些不足(例如:滴灌条件下土壤干燥区和湿润区N2O排放通量间差异研究和不同种类温室气体的同期影响研究)。今后,要加强监测滴灌下多种温室气体同期排放和不同土壤区域N2O排放差异,加强从分子水平探究滴灌模式下土壤微生物对N2O气体产生过程的作用机理等方面的研究,为构建环境友好型农业模式提供科学依据。     

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.     

生物质成型燃料燃烧挥发性有机物排放特性试验

以玉米秸秆、小麦秸秆、棉秆和木质4种生物质成型燃料为原料在生物质燃烧试验平台上,采用罐采样-GC/MS采集方法,研究分析了燃烧后烟气中的VOCs排放系数和组分,结果表明,4种生物质成型燃料的VOCs排放系数分别为0.447、1.111、0.601、0.104 g/kg,与散烧秸秆相比,成型燃料的VOCs排放系数仅为其50%;燃烧后VOCs排放组分占比最大的为卤代烃和酮,分别为49.8%和36.1%;4种生物质成型燃料燃烧VOCs排放总的臭氧生成潜势(以O3计)分别为4.792、25.737、9.598、4.502 g/kg,臭氧生成潜势比较高的化合物依次为:苯系物、酮、烯烃和卤代烃。     

以负碳排放为目标的生物质灰矿化CO2路径研究

将生物质能源开发利用与碳捕获、利用与封存结合,可实现CO₂负排放,是能源领域降低CO₂排放的重要技术之一。生物质直接燃烧后产生的生物质灰理论上可吸收并永久封存CO₂,但其能否实现负碳排放还需进行深入研究。基于此,分别在自然状态（空气氛围）、中等CO₂初始分压（101.3 kPa）和高CO₂初始分压（300～1 400 kPa）条件下开展了生物质灰矿化CO₂试验,测试了生物质灰的CO₂矿化量,并评估了3种矿化路径的负碳排放量。结果表明,从空气中吸收CO₂时,生物质灰的CO₂矿化性能最差,40 d内的最高CO₂矿化量仅为60.66 g/kg。在中等CO₂分压101.3 kPa条件下,可最高实现121.68 g/kg的矿化量,而初始分压1 400 kPa下的CO₂矿化量可达216.85 g/kg。综合考虑矿化过程的能源消耗和生物质灰...     

Introducing greenhouse gas mitigation as a development objective in rice-based agriculture: I. Generation of technical coefficients

This study presents a modeling tool to assess emission of greenhouse gases (GHG) from the agricultural sector as affected by land-use and residue utilization options. The overall purpose of this tool is twofold: (i) a spreadsheet model for comprehensive compilation of the direct and indirect emissions from land management, residue-burning and fossil fuel consumption through on-farm and off-farm operations and (ii) a decision support tool to explore economically viable mitigation options through detailed cost–benefit analysis of different technological options. We developed TechnoGAS (technical coefficient generator for mitigation technologies of greenhouse gas emissions from agricultural sectors), which integrates analytical and expert knowledge with regional databases on bio-physical, agronomic and socio-economic features to establish input–output relationships (‘Technical Coefficients’) related to GHG emissions in agriculture. The approach includes emissions of methane (CH₄) from rice fields, rice straw burning and cattle; carbon dioxide (CO₂) from fossil fuel and soil organic carbon decline as well as nitrous oxide (N₂O) from soil, rice straw burning and fertilizer use. To illustrate the approach of the spreadsheet model for comprehensive compilation of emissions, we applied TechnoGAS for an entire rice–wheat cropping cycle in the state of Haryana in northern India as a case study. Twenty technologies of rice production, which can be adopted by farmers, are analysed for their operation-specific emissions including their global warming potential (GWP). The technologies differ in terms of water regime, residue management/utilization, soil management and additives, which represent different mitigation options for GHG emissions. With the current farmers’ practice in various districts in Haryana, soil-borne emissions are the major source of GHG contributing 53% of the average GWP (3288 kg CO₂ equivalent ha⁻¹) in rice followed by burning of rice straw (13% of the GWP). Cattle, farm operations, off-farm and inorganic fertilizer contributes 12%, 10%, 10% and 2% of the GWP, respectively. Emissions from wheat are relatively low (1204 kg CO₂ equivalent ha⁻¹) as there is no CH₄ emission and wheat straw is not burnt. Different mitigation technologies show pronounced effects on the GWP of the rice crop and varied between 1715 kg CO₂ equivalent ha⁻¹ with continuous flooding, urea and rice straw used for building materials and 10,020 kg CO₂ equivalent ha⁻¹ with continuous flooding, and application of nutrients through organic manure. Compared to current farmers’ practice, 13 technologies are found to have the potential to reduce the GWP by 8–51%, but they also reduce the net income of farmers. Upscaling of the estimates to the entire state of Haryana shows that the GWP with the current farmers’ practice in rice is 2617 Gg CO₂ equivalent. Modification of water management from continuous flooding to alternate flooding or application of urea alone instead of urea plus FYM will reduce the GWP by 15% and 29%, respectively, while feeding of rice straw to cattle and supplying N through urea will reduce it by 41% compared to the current practice of burning rice straw and use of FYM. The study shows that the TechnoGAS tool can be used for estimating GHG emission from various land-use types and for identifying promising mitigation options. A detailed cost/benefit analysis is supplied by Wassmann and Pathak [Wassmann, R., Pathak, H., this volume. Introducing greenhouse gas mitigation as a development objective in rice-based agriculture: II. Cost–benefit assessment for different technologies, regions and scales.].     

基于Meta分析的黑龙江省水稻水土肥资源协同优化调配

水稻灌溉水量、氮肥和种植面积的高效管理有助于提升农业经济效益,提高资源利用效率和改善生态环境。以黑龙江省13个市（区）为研究区域,利用Meta分析量化不同灌溉方式和施氮量对水稻产量和温室气体（CO2、CH4、N2O）排放的影响,并建立水肥生产函数。在此基础上,以经济效益、温室气体排放量、水肥利用效率为目标函数构建多目标优化模型,以优化分配各地区的水肥资源,调整水稻种植面积。优化结果表明：控制灌溉和施加氮肥不同程度影响产量和温室气体排放,优化后水稻种植面积减少3.76%,水利用效率提高18.4%,灌溉水量均值为4513.54m3/hm2,氮肥施用量减少11%,氮肥利用效率提高32%,氮肥施用量均值为100kg/hm2;经济效益增加8.1%,温室气体排放降低10.6%。本模型可以量化表征区域尺度基于控制灌溉的水肥施用与产量及温室气体排放的响应关系,协同优化稻田水土肥资源最佳配比,平衡经济、温室气体排放和资源利用效率,有助于黑龙江省水稻不同目标间的水肥资源优化和种植面积调整,促进农业可持续发展,可为水稻水土肥资源优化与管理提供参考。     

生物质热解焦油燃烧试验系统设计与试验

生物质热解焦油作为热解炭化或气化过程的副产物,难以去除且危害较大。通过对热解焦油的理化性质分析,发现其具有较高的热值,燃烧后可以为热解设备提供热源,实现能量的循环利用。针对热解焦油雾化效果差、直接燃烧不稳定等问题,设计了二次雾化喷嘴,并提出一种生物质热解焦油伴气燃烧的工艺;采用一定量的热解气作为助燃剂,为热解焦油燃烧提供稳定的火焰,设计了热解焦油燃烧试验系统。燃烧试验表明,该燃烧器的焦油燃烧量为20~55kg/h,达到设计要求。当雾化空气压力为0.6MPa、热解焦油压力为0.2~0.4MPa、热解气压力为0.3~0.5kPa时,燃烧器燃烧稳定,火焰明亮。通过烟气分析仪发现燃烧烟气中CO和NOx含量较高,表明在燃烧室中的一次燃烧并未达到理想的燃烧效果。     

秸秆综合利用减排固碳贡献与潜力研究

为推进秸秆综合利用,提升农业农村减排固碳能力,针对秸秆综合利用存在的温室气体排放因子基数不明、底数不清等问题,基于IPCC指南(2006年)温室气体排放核算理论框架,构建秸秆综合利用评价方法.明确评价范围与边界,科学核算不同秸秆利用技术的温室气体排放因子,评价秸秆五料化减排固碳底数,基于不同情景预测2030年和2060...     

农作物秸秆混配燃烧特性与动力学分析

选用北京市大兴区玉米秸为主原料,混配小麦秸、花生壳, 利用热重仪研究混配物料的燃烧特性,并采用Coats-Refern法研究其燃烧动力学特性,为农作物秸秆固体成型与燃烧提供实践与理论数据。研究发现,3试样燃烧都有2个明显的峰值,燃烧过程可分为水分蒸发干燥、挥发分析出及燃烧、固定碳燃烧和燃尽4个基本阶段,在整个燃烧阶段有较大的重叠区域。添加花生壳的混配物料,其燃烧特性及动力学参数受花生壳的影响较大,而添加小麦秸影响较小。     

煤层气发动机工作特性的试验研究

为了解涡流室式煤层气发动机的工作特性和排放规律,在不同负荷下,进行了燃用三种不同甲烷浓度的煤层气试验。试验结果显示:涡流室式燃烧系统能稳定燃烧甲烷浓度变化剧烈的煤层气;相同工况下,发动机的缸内峰值压力随甲烷浓度的降低而增加,但压力升高率的变化很小;甲烷浓度达到一定值时,甲烷浓度和负荷对主燃期的影响很小;煤层气发动机的CO和HC排放随甲烷浓度和负荷的增加而降低,NOx排放则相反。     

柴油/天然气双燃料发动机性能研究

对比研究柴油/天然气双燃料发动机的动力性、经济性和排放特性,为柴油/天然气双燃料发动机性能开发奠定基础。在YN33CRD2高压共轨柴油发动机进气歧管加装天然气燃料喷射系统形成柴油/天然气双燃料发动机,并利用自主开发的双燃料ECU控制器及双燃料控制策略进行柴油/天然气双燃料发动机进行控制。试验结果表明:在动力性方面,柴油/天然气发动机的动力性可维持纯柴油模式的原机水平,且经济性和整体排放性能得到了较大改善,天然气替代率最高可达到85%;在经济性方面,在双燃料模式下,发动机的有效燃油消耗率要低于纯柴油模式约3%~7%,且有效热效率要高于纯柴油模式约1%~3%;在排放特性方面,在双燃料模式下发动机的NOx排放和碳烟排放均低于纯柴油模式,但碳氢排放总量高于纯柴油模式,主要是由于天然气燃烧不彻底的特性导致的。综合来看,柴油/天然气双燃料发动机较纯柴油模式可具有较好的综合性能,具有较好的发展前景。