热解温度对回转窑玉米秸秆热解产物理化特性的影响

针对北方农业秸秆废弃物产量巨大且无法全部还田导致丢弃和露天焚烧现象激增等问题,该文通过搭建小型回转窑生物质热解装置考察不同热解温度下秸秆热解特性,分析主要产物的产率、元素组成等理化特性指标。结果表明:回转窑内热解温度的增加提高了热解液相产物产率和热解水产率,焦油产率呈先增加后降低趋势。与此同时,热解气总体积逐渐增加,H2含量和CH4含量也有所提高,生物炭产率和热值有所降低。当热解温度从400℃增加至700℃时,焦油产率从12.21%增加至21.70%;当温度进一步增加至800℃时,焦油产率降低至20.13%;相应的焦油热值从400℃时的19 974.0 kJ/kg逐渐增加到800℃时的21 710.0 kJ/kg。高热解温度加快热解过程中的热传递,加剧生物质大分子所含的羟基、羰基等含氧官能团的分解并促进挥发物的产生,进而提高了热解液体产物、热解水和焦油产率。过高的加热温度会加剧挥发分的二次反应,降低焦油产率;更多的含氧杂环结构会随着热解温度提高逐渐分解,因而焦油热值逐渐增加。生物炭产率随着温度增加逐渐降低,生物炭pH值和C/N比均逐渐增加,在兼顾生物炭产率和应用于炭基肥制备所需理化性质的同时需充分考虑热解温度影响。     

基于能量得率的棉秆热裂解炭化工艺优化

为了从能源利用角度设计和优化棉花秸秆热裂解制生物炭的热解炭化工艺,该文使用了产率、热值及能量得率3个指标来衡量工艺的优劣。首先,研究了热解温度、保留时间和原料粒径3个工艺条件分别对生物炭产率和热值的影响。结果表明,在3个工艺条件下生物炭产率与热值均呈负相关,即高产率和高热值目标无法同时满足。因此,引入能量得率(单位原料所产生物炭的总能量)作为全面评价生物炭产率和热值的综合指标,重点利用响应面分析法分析了3个工艺条件及其交互作用对能量得率的影响,并经过检验得到优化后的能量得率模型。模型预测结果表明,在炭化温度为429℃,保留时间为1.29 h,原料粒径为0.32 mm时,能量得率达到最大值,为78.95%,通过验证试验证明了模型的有效性。该模型能够用于指导生产高能量得率的生物炭,为生物炭能源高效利用目标的实现提供参考。     

生物质连续热解炭气油联产中试系统开发

针对目前多数生物质炭化设备生产连续性差、能耗高、生产过程中存在焦油水洗二次污染等问题,结合生物质炭化技术最新进展和农林剩余物原料特征,提出了生物质连续热解炭气油联产工艺方案,引入连续分段热解、多级组合除尘脱焦和燃油/燃气回用加热工艺方法.在此基础上,重点突破了多线螺旋抄板物料均匀有序输送、多腔旋流梯级高效换热、保温沉降密封出炭、系统压力与气体组分耦合预警等技术,开发了生物质连续热解中试生产系统.运行检测结果表明:系统运行稳定可靠,温度控制精度为±16℃,反应室压力控制精度为±-25 Pa,以花生壳为原料,原料处理量为28.2 kg/h,生物炭得率为31.3％,热解气产率29.6％,液体产物产率19.8％,热解气低位热值为16.3 MJ/m3,各项技术指标均达到了系统设计目标与要求.该中试系统的开发为设备放大及示范应用奠定了重要基础.     

农林废弃物热解的试验研究

介绍了用于生物质热解的试验装置及试验方法，研究了温度、加热速率等因素对木屑、稻壳等农林废弃物生物质热解产物的产率及其质量的影响。试验结果表明，两种不同生物质热解产物得率的变化规律基本一致。热解温度控制在４００～５００℃时，热解油产率最大。热解温度越高，则炭产量越少；温度大于５００℃时，热解气为中等热值可燃气，其热值大于１０ＭＪ／ｍ^３。测试结果还表明，常规热解条件下的生物质热解表现为三阶段反应特点     

炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征和化学性质的影响

沙蒿是半灌木典型沙生植物,作为制炭物料具有其特殊性,而炭化温度决定生物炭形貌特征和化学性质。通过无氧炭化法制备了不同温度(300~900℃)的沙蒿生物炭,研究了炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征、表面官能团种类、产率变化和有机组分含量的影响。结果表明:生物炭孔径随着炭化温度的升高而增大,700℃以后生物炭结构有一定程度的破坏;生物质炭化后C–O–C、–COOH、–CH3、–CH2、–OH和C=O逐渐消失;生物炭产率随着炭化温度的升高而降低,尤其是从300℃升高至400℃产率降低最为明显,这与纤维素及半纤维素的分解有直接关系;生物炭中有机组分的C元素含量增加,由701.7 g/kg增加到899.3 g/kg,增加了197.6 g/kg;而H、O和N元素含量则逐渐降低,分别降低了21.4、171.8和6.6 g/kg;生物炭中有机组分的原子比H/C、O/C和(N+O)/C都逐渐减小。总之,生物质升温炭化过程中,炭化温度与生物炭孔径及有机组分的C元素含量呈正相关关系而与生物炭产率、生物炭中有机组分的H、O和N元素含量呈负相关关系,低温和中温炭化时生物炭保留原有的骨架结构,而高温时对其有一定程度的破坏作用,沙蒿生物质含有丰富的官能团,升温裂解过程中多数官能团消失,无机组分Si–O–Si得以保留,此外,生物质升温裂解是一个芳香性逐渐增强,亲水性和极性逐渐减弱的过程。     

生物质成型材料干馏裂解工艺试验

该文分别以锯末成型块和稻壳成型块为原料,研究了干馏热解最高温度和速度对碳热值、产率、质量的影响,试验结果表明:对生物质成型材料而言,炭的产量同样是热解温度和加热速率的函数。在低于400℃条件下,随着炭化温度升高,两种实验样品失重很快,当炭化温度由400℃升到600℃,焦炭产量只轻微的减少;进一步升到800℃,炭的重量减少至不到净重的3%(干基),但加热速度对生物质成型炭的质量比木材炭质量影响更大,过高的加热速率和原料过大含水率容易造成生物质成型碳产生裂纹,使成型炭的强度下降,从而影响炭的质量。从经济性角度考虑,碳化温度控制在400~500℃范围内,此时,炭的含碳量在76%~85%,炭产量在33%~40%。     

生物炭二级循环折流式冷却中试系统的设计与试验

针对热解炭化后生物炭温度高、冷却慢、余热难以回收等导致热解生产周期长、生物炭热能利用率低的问题,该文采用固-液间接换热原理,设计了循环水二级折流式冷却换热装置并开发了生物炭二级循环冷却中试系统,并对不同生物炭在不同水流量、转速条件下开展试验,试验结果表明,采用该系统后出口生物炭平均温度为30℃,能够满足冷却要求。进出口生物炭温差随水流量的增大而增大,当螺旋轴转速为5 r/min,水流量分别为8、6.5、4 m3/h时,进出口生物炭温差分别为272、242、222℃。水流量固定为6.5 m3/h,螺旋轴转速为25 r/min时,生物炭出炭温度为40℃,而转速降低为5 r/min时,出炭温度降低到25℃;不同生物炭综合传热系数不同,玉米秸秆生物炭冷却时达到最大为100.6 W/(m2·K)。该研究中冷却系统能够与热解炭化设备相匹配,并且满足生物炭连续冷却的需求,可以开展不同生物质炭的冷却试验。     

内加热连续式生物质炭化中试设备炭化温度优化试验

为分析内源加热与分段连续热解技术工艺条件下不同物料的热解炭化特性,探明炭化工艺参数对生物炭理化性质、生物炭得率及设备生产率的影响规律,以玉米秸秆、玉米芯和花生壳为原料,进行了设备生产工艺试验。试验结果表明,引风机转速为725 r/min,通过自动调节各进风口开度,使炉内负压维持在60 Pa左右时,不同炭化温度下的生物炭理化性质、设备生产率和生物炭得率均表现出较大差异,其中,固定碳含量和灰分等指标存在显著性差异(P0.05),玉米秸秆对炭化工艺参数最敏感。通过多指标综合评价分析,结合生产实际,玉米秸秆、玉米芯和花生壳的推荐炭化温度分别为550~600、600~650和600~650℃。该研究可为内加热连续式生物质炭化设备的推广应用提供重要的技术支撑。     

适宜炭化温度及时间改善生物质成型炭品质

为制备品质特性较佳的成型炭块,对螺杆挤出的生物质高密度成型燃料进行炭化,试验研究了炭化温度(400、450、500、550和600℃)、升温速率(2、6和10℃/min)和保持时间(60、120和180 min)对成型炭块的工业分析成分、热值和力学强度等品质指标的影响。随着炭化温度的提高,成型炭块的炭得率、挥发分含量降低,固定碳含量提高,热值增大;炭化温度550℃时热值达到最大值,为31.04 MJ/kg,抗压强度和抗跌碎强度均较好。升温速率对成型炭块的力学性能影响较大,升温速率越小,抗压强度越大;升温速率为2℃/min时,成型炭块表面裂纹少,抗压强度达最大值,为439.8 k Pa;相应地,抗跌碎强度亦较佳,为95.5%。保持时间为120 min时成型炭块具有较高的热值29.63 MJ/kg,较大的抗压强度192.1 k Pa和较好的抗跌碎强度96.7%,过长或过短的保持时间都不利于成型炭块品质的提升。     

生物质连续炭化中试系统产物特性及其运行效果评估

为分析中试规模条件下的生物质连续炭化特性并系统评估中试设备运行性能,以棉秆、稻壳和果木剪枝等典型农林废弃物为原料,进行了生物质连续炭化中试系统生产测试,分析了炭化温度对产物理化性质、组分分布和产率的影响规律,并在此基础上对设备运行过程、能量平衡、能量转化效率和应用前景等进行了系统评估。结果表明:系统运行过程中温度和压力控制精准,物料滞留时间为36 min,炭化温度分别为550、600、650℃时,炭化温度对产物特性与产率影响明显,炭化温度越高生物炭中固定碳含量越高,650℃时的果木剪枝炭化比550℃时固定炭含量提高12.7百分点;炭化温度越高热解气产率越大,650℃时果木剪枝炭化比550℃时产气率提高7.8百分点;炭化温度在600℃时处理棉秆,系统能量转化效率为74.10%,能流分析表明,此条件下部分燃气回用加热可支撑系统热解。该研究为生物质连续炭化工程装备的开发和示范推广提供了重要技术支撑。     

棉花秸秆炭微波裂解生产设备研制

为了提高棉花秸秆的循环利用效率,分析不同参数对微波裂解棉花秸秆生产秸秆炭的产炭率的影响,该文研制了一套微波裂解设备。微波裂解设备主要由气液处理系统、裂解腔、惰性气体供应系统、恒温控制等组成,工作时微波裂解腔中的磁控管对棉花秸秆的裂解过程提供能量,使棉花秸秆达到炭化的效果。以棉花秸秆的炭产率为指标,以棉花秸秆含水率、炭化时间、微波功率为影响因素,通过Box-Behnken中心组合试验方法对微波裂解设备在裂解棉花秸秆过程中的试验因素进行三因素三水平二次回归试验。分析各因素对产炭率的影响,同时对影响因素进行综合优化。结果表明,棉花秸秆含水率和微波功率对棉花秆秸产炭率影响显著(P<0.01),最优参数组合为含水率11%、炭化时间6min、微波功率1.8 kW。验证试验结果表明,在最优参数条件下,棉花秸秆产炭率为30.9%,与理论值的相对误差为0.71%。研究结果可为棉花秸秆炭微波裂解生产设备的设计和作业参数优化提供参考。     

内加热移动床生物质炭化中试设备监控系统开发

针对目前生物质炭化设备生产率低、炭化工艺参数控制困难等问题,在研制内加热移动床生物质炭化设备的基础上,以组态王软件为控制平台,采用反馈控制机制和串级控制技术,开发了内加热移动床生物质炭化设备监控系统。监控系统主要包括上料控制系统、炭化环境监控系统、出炭控制系统以及其他辅助软件系统等,炭化温度与炉内负压监控主、副控制器分别采用位置式PID(proportional,integral,derivative)和增量式PID控制方法。生产试验结果表明:监控系统运行稳定可靠,可实现对设备作业过程的有序控制和炭化环境的定向调控,与手动控制相比,设备生产率提高18.3%,生物炭得率提高2.3个百分点。监控系统的开发应用可为炭化设备的产业化推广提供技术支撑。     

玉米秸秆连续干馏条件下能量平衡分析

为分析外源加热与分段连续干馏技术工艺条件下的生物质热解特性,以玉米秸秆为原料,通过自行开发的生物质连续热解炭气油联产平台,开展了生物质连续干馏试验测试,分析了炭气油三态产物的理化性质、组分分布和受工艺参数影响的基本规律,并在此基础上进行了系统热量衡算和能量平衡分析。结果表明,连续热解条件下,玉米秸秆炭品质受物料在反应室的滞留时间影响大,滞留时间一般应不低于30 min,热解气热值可达到15~20 MJ/m~3,热解油组分极其复杂;玉米秸秆炭携带热量最多,约占产物总能量的47.88%,热解气占产物总能量的36.17%,木焦油和轻油分别占13.14%和1.74%;连续热解系统能耗比为0.97,能量回收率为75.7%。该研究可为外加热分段连续式生物质炭化设备的开发和推广应用提供重要的基础支撑。     

生物质热解固体热载体高温烟气加热装置设计与试验

固体热载体加热生物质是生物质热解制取生物油的工艺手段之一。为解决固体热载体间接加热方式升温慢、效率低问题,设计了一种流化床生物质燃烧的热烟气直接加热固体热载体装置,分析了其结构与原理,开展了固体热载体升温性能和流化床燃烧器的燃烧特性试验研究,并对试验结果进行了热平衡分析。结果表明:流化床高温烟气加热陶瓷球热载体的平均热能利用率为66.3%,流化床燃烧生物质粉产生的高温烟气能够满足热载体加热装置对热源的需求,热载体加热器内的热量传递方式主要是对流换热。陶瓷球热载体与加热器内高温烟气的对流传热系数为475 W/(m~2·℃)。研究对结果对解决生物质热解液化技术中的固体热载体加热升温关键问题具有重要指导意义。     

农业废弃物综合利用技术的试验研究

阐述了有关农业废弃物综合利用试验研究成果。在农业废弃物的固化技术方面,指出了工艺参数对挤压成型机工作性能的影响,提出了热压成型工艺参数的大致范围;在生物质块的炭化技术方面,给出了热解工艺及其操作规范;在热解产物回收技术方面,指出了热解产物回收的工艺流程及其应用。     

基于改进杂交粒子群算法的农村微能网多能流优化调度

西部农村地区电网薄弱,光伏和风电扶贫投资未考虑配套输配电设施,用以处理生物质废弃物的沼气受季节性温度变化影响运行经济性不佳,为解决上述问题,该文提出利用沼气作为气源含可再生能源的冷-热-电-气多能流农村微能网供能架构,建立相应的多能流微能网调度模型,针对粒子群算法早熟、容易陷入局部最优的问题,提出采用动态调整惯性权重的杂交粒子群算法进行求解,算例结果表明,通过对系统内各设备的调度,有效降低系统日运行成本,在冬季,采用改进型杂交粒子群算法所得日运行费用相比采用基本型粒子群算法降低7.6%,其相比系统未优化所得日运行费用降低79.1%;在夏季,相比基本型粒子群算法与未优化分别降低17.0%、71.2%,实现微能网的经济运行,证明了本模型和算法的正确性。     

集中式烤房供热工艺的比较

该文将以8座烤房为供热对象,对传统燃煤分散供热、燃煤蒸汽锅炉集中供热、煤气化集中供气、导热油锅炉集中供热、生物质沸腾炉集中供热、生物质气化集中供气等工艺技术的经济性进行研究比较,得到优化的烤房集中供热技术路线。比较发现,传统燃煤分散供热与其他几种系统相比,能源利用率低,对环境的污染大,在经济效益和环境效益方面均不如集中供热系统;综合考虑经济效益和社会效益,燃烟茎烟杆的生物质沸腾炉集中供热技术为最优烤房供热系统。     

秸秆热解炭化多联产技术应用模式及效益分析

通过秸秆热解多联产技术,能够将废弃的秸秆转化为燃气和生物炭等,既能提供清洁能源,改善用能结构,又能有效还田和固碳,具有较好的推广应用潜力。分析内加热式移动床生物质炭气联产技术、外加热式移动床生物质热解炭气联产技术、外加热式移动床生物质热解炭气油联产技术的工艺参数,提出了适宜自然村、村镇社区和规模化应用等3种不同规模用户的秸秆热解炭化生产技术应用模式,并以不同规模秸秆利用量为例,得到消耗每吨秸秆的纯利润分别为87、135和141元/t,销售利润率20%左右,温室气体碳排放交易可增加8%左右的纯收益,经济与环境效益良好。