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。      

玉米秸秆与小麦秸秆共热解特性试验研究

针对当前多原料混合共热解特性研究不清的问题,采用量大面广的玉米秸秆与小麦秸秆进行共热解试验。通过设定不同的炭化温度、升温速率、保温时间以及原料掺混比进行四因素三水平试验,分析不同工艺条件下的生物炭比表面积、固定碳含量、生物炭得率、热值和SEM等指标。结果表明:在炭化温度为550℃、升温速率为2℃/min、保温时间为45min、玉米秸秆与小麦秸秆掺混比为3∶7时,比表面积、固定碳含量、生物炭得率、热值四项指标综合较优。该研究可为生物质共热解工艺优化和设备开发提供参考。     

秸秆生物质旋转床反应器热解载气试验

为研究旋转床反应器在不同载气条件下的秸秆生物质热解影响,在无载气、以尾气作为载气、以N2作为载气的情况下,进行了秸秆生物质在旋转床反应器中的热解反应。分别收集了生物炭、生物油以及合成气,进行了产量测算;对生物炭进行了热值与元素分析,对生物油进行了热值、含水率和元素分析;分析了合成〖JP2〗气有机物组成与含量。结果表明：通尾气能够减少生物炭产率,增加生物油产率,并且生物炭的热值、含碳量较高,分别为22.99MJ/kg、51.24%;生物油的含水率降低30.45%、有机物质量分数升高11.11%,但是生物油的热值下降,合成气中轻质有机物质量分数最高,为67.04%;尾气能够更加快速带走热解气或者参与热解的二次反应,生物质反应最充分,能够增加H的活性,减少水含量,但是无法去除氧元素,氧元素保留在生物油中;通N2能够减少生物炭产率,增加生物油产率,并且生物炭的热值较高,为22.28MJ/kg,含碳量较高,为55.86%,生物油的含水率和有机物含量变化不大,但是生物油的热值升高到12.25MJ/kg;合成气中轻质有机物质量分数最小,为64.07%;通N2能够减少热解二次反应的发生,热解气能够快速离开反应器。     

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。      

生物质连续式分段热解炭化设备研究

针对目前连续式炭化设备的热解温度场难以梯级调控,不能满足多种热解温度工艺试验要求,采用分段式加热技术,设计了5段独立热解炭化炉,并结合连续式输送原理,集成生物炭循环水冷技术、热解气二次催化裂解技术和油气二级冷凝分离技术等,研发了连续式分段热解炭化设备。以粉碎的玉米秸秆为原料开展了热解炭化试验,结果表明,本炭化设备实现了连续炭化和分段加热,当5段炉温设为550℃、600℃、600℃、600℃、550℃时,生物炭得率29.97%,低位热值26.21 MJ/kg,固定碳含量55.63%,热解后的油气能较好地实现分离,达到了设计要求,实现了生物质的分段控温加热和连续热解。     

氮气和含氧气氛下玉米秸秆热解气化产气规律研究

为了探究秸秆类生物质在热解和气化过程中的产气规律,以我国东北地区典型的玉米秸秆为原料,基于自行建立的管式炉生物质热解气化实验装置,系统研究了玉米秸秆在氮气气氛下热解和在含氧气氛下气化过程中CO、H2、CO2、CH4和CnHm等小分子生物质燃气成分的释放特性,对比分析了不同热解温度和气化温度对不同燃气组分释放规律及其产率的影响。实验结果表明：玉米秸秆热解过程中最先释放的小分子气相产物是CO和CO2;当温度升高时生物质燃气中逐渐出现CH4和H2,且随着热解温度升高,CO的产率峰值最先出现且峰值出现在升温阶段,而CO2、CH4和H2的产率峰值几乎同时出现在恒温阶段;热解温度升高,玉米秸秆热解产生的CO体积分数几乎没有变化,而CO2的占比则随着温度的升高而降低;在400~500℃之间CH4体积分数随着热解温度的升高而增加,在500℃以后,基本稳定在13%。在O.2体积分数为8%、N2体积分数为92%的含氧气氛下,随着气化温度的升高,玉米秸秆气化产生CO2气体的体积分数呈先增加后降低的趋势,而CO的体积分数随着温度的升高而增大,这说明高温气化条件下更有利于CO的释放,而低温条件下有利于CO2的产生。     

流化床热裂解影响因素的研究

为了研究温度、喂料速率及压差等对热解产物的影响,以玉米秸秆粉为原料,氩气为流化气体,石英砂为流化介质,在自行设计的流化床上进行了热裂解试验.试验探索了生物油收集率、炭收集率以及气体产率与温度、压差和喂料速率的关系.研究表明,自行设计的流化床在工况为温度480℃、喂料速率在10g/min、压差为30mm水柱时生物油收集率最高为31.8%.     

移动式玉米秸秆热解炭化原位还田设备研究

针对目前秸秆炭化还田主要以异位为主,移动式热解设备结构复杂,难以实现秸秆田间炭化还田等问题,基于秸秆内热式低氧炭化原理,建立自供热反应系统,研制热解炭化反应器和热解气清洁燃烧室等关键部件,集成秸秆捡拾收集、粉碎输送、烟气回用烘焙、生物炭原位还田技术,研发移动式热解炭化原位还田设备。样机试制后,进行了静态调试试验,结果表明：该设备原料处理量为50 kg/h,炭得率为21%,系统能量利用率74.6%;排放烟气中NO_x质量浓度为184 mg/m³,SO₂质量浓度为26 mg/m³,颗粒物质量浓度为17.8 mg/m³,达到烟气排放要求;生物炭中总碳、固定碳及金属元素含量符合DB21/T 3314—2020《生物炭直接还田技术规程》中的Ⅰ级生物炭要求。该设备能够实现低碳排放、炭化能源自给、田间作业等功能,为秸秆还田提供支撑平台。     

棉秆热裂解工艺参数优化与固体产物性质分析

对未经粉碎的棉秆进行了直接热解炭化实验研究。研究表明,未经粉碎的棉秆在热解温度400℃时进行热解炭化后,生成的秸秆炭的比例最高,且秸秆炭中的固定碳含量最高。在棉秆热解过程中,随着反应温度的增加,热解固体产物质量不断减小;热解温度高于400℃以后,随着反应温度的增加,固体产物中固定碳含量开始下降。通过正交试验得到了最优组合的热解工艺参数为：热解温度400℃,升温速率5℃/min,保温时间2 h。得炭率可达49.98%。     

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。     

玉米芯稀酸水解残渣热解特性

在热天平分析仪上对比分析了玉米芯水解残渣、玉米芯及残渣木质素的热失重特性,借助TGA-FTIR解析了残渣木质素热解过程中主要产物的析出特性,在自制小型快速热解装置上对比考察了水解残渣和玉米芯的热解产物分布,并进一步对比分析了热解气的组分组成及热解焦的气化反应性。TGA结果表明,玉米芯热解主要集中在250～450℃,而水解残渣和残渣木质素的热解温度范围为180～800℃。TGA-FTIR分析显示,甲醇和酚类的主要析出温度区间为200～420℃,而CO和CH4主要在400℃以后析出。在热解温度550～850℃内,水解残渣的固体热解焦产率为30.35%～42.64%,远高于玉米芯热解的固体产率19.18%～26.40%,且残渣热解焦的气化反应性低于玉米芯热解焦;气体组分中CO和CO2产率较高,H2产率在温度高于650℃时明显提高。     

生物质快速热裂解制取生物油的研究

阐述了生物质热裂解机理,介绍了生物质热裂解液化技术的工艺流程,对生物质热裂解液化技术研发现状进行了总结。以榆木木屑为原料,在自制的小型流化床上,开展了生物质快速热裂解制取生物油的试验研究。试验结果表明,粒径小于0.2mm的生物质粒径对生物油产率影响不大,最高生物油产率为43.93wt%,并指出了生物油的应用方式,为生物质快速热裂解液化技术的研究提供了参考。     

生物质热裂解气喷淋冷却系统的试验研究

生物质热裂解气体产物的快速冷却是生物质热裂解液化技术的关键。为此,设计了一种利用生物油喷淋冷却生物质热裂解气的装置,利用空心锥喷嘴产生的雾滴与热裂解气体间的温差实现相间换热,从而快速冷却热裂解气,得到液体生物油。利用粒子图像测速仪(PIV)对喷淋流场进行了冷态试验,试验结果表明,空心锥喷嘴非常适合生物质热裂解气体产物的喷淋冷却。当喷嘴孔径为4.0mm、液体压力为0.2MPa时的雾化效果最佳。在流化床生物质热裂解液化试验台上,利用该喷淋冷却方式对秸秆类生物质热裂解进行了热态试验,试验效果比较理想,生物油的收集率达到43%。     

金属盐添加剂对生物质微波热解特性的影响

采用微波热解反应器系统与气相色谱和质谱分析仪以及等温吸附仪等研究了NaCl、K2CO3、MgCl2的添加对农业废弃物棉秆微波热解特性的影响.结果表明,3种金属盐添加剂均使液体产物产率下降,固体产物产率增加,且添加剂的加入对简化生物油组分以及提高生物油品质效果显著,产物中酚类物质含量明显降低,乙酸的相对含量由11.87％提升至37.57％,固体焦炭的表面孔隙结构也得到了明显改善.     

下降管生物质热裂解液化反应器设计

以固体热载体加热工艺原理设计开发了一种新型下降管生物质快速热裂解液化反应器.详细阐述了反应器中的陶瓷球热载体换热器、颗粒喂料器、反应管、颗粒分离及热裂解气冷却系统等主要组成部件的结构,并对各部件的性能进行了试验测试.试验结果表明,热载体的温度与喂料速率控制精确,热载体与炭粉颗粒分离完全;空心锥喷嘴非常适合生物质热裂解气体产物的喷淋冷却,当喷嘴孔径为4.0mm、液体压力为0.2 MPa时雾化效果最佳,利用该喷淋冷却方式时秸秆类生物质热裂解生物油的收集率达到43％.     

响应面法优化水稻秸秆炭化工艺参数

采用响应面法优化水稻秸秆炭化工艺条件。在单因素实验基础上,选择热解温度、升温速率和保温时间为随机因子,进行3因素3水平的Box-Behnken中心组合设计,采用响应面法分析3个因素对水稻秸秆产炭率的影响,并建立产炭率的二次多项式数学模型。结果表明:水稻秸秆炭化时,最佳产炭条件为热解温度300℃、升温速率7.56℃/min、保温时间0.98h,在此条件下的产炭率为44.49%。随机选择水稻秸秆炭化条件,所得实验值与理论值的偏差为4.3%左右,理论值与实验值较接近,说明回归方程拟合度较高,该优化方法可行。     

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%.     

木粉水解残渣热解半焦结构及反应性研究

以典型的稀酸水解工艺中产生的残渣为原料,通过高温管式炉以慢速升温方式制备了木粉酸水解残渣(AHR)热解半焦.通过工业分析对比分析了AHR与其热解半焦组成的变化.利用XRD和SEM分析方法对半焦样品的晶相结构及表面形貌进行了表征,通过不同热解终温下半焦样的结构形貌变化解释其反应性的差异.在热重分析仪上通过分析半焦在CO_2气氛下的失重,表征AHR热解半焦CO_2气化反应性.工业分析结果表明随着热解终温的升高,半焦的炭化程度升高.XRD结果分析显示:随着热解终温的升高,AHR热解半焦的类晶相结构的有序化程度增高;SEM结果表明:木粉的纤维结构经酸水解后发生了变化,AHR热解半焦形态与木粉半焦有着明显区别;随着热解终温的升高,半焦样的解构程度增加.对气化反应活性的研究表明:随着热解终温的升高,半焦样的反应活性降低.     

基于载La半焦基催化的松木热解试验

采用浸渍法,以松木热解半焦为载体,制备了载La半焦基催化剂,利用自行设计的两段式生物质催化热解固定床反应系统进行松木燃料棒催化热解试验,研究不同重整温度下载La半焦基催化剂对生物质热解气、焦油、焦炭三相产物的影响规律.通过气体组分的变化、焦油FTIR谱图的变化以及催化剂SEM、XRD表征特性测试,探讨载La半焦基催化剂...