“木质素优先解聚”策略下生物质定向解聚研究进展

木质素的来源、催化剂和溶剂对木质素整体转化和产物分布起着至关重要的作用。该文主要综述了国内外有关木质素优先解聚的最近研究进展,分析比较了酸催化剂、碱催化剂、贵金属催化剂以及非贵金属催化剂的优势与不足,指出金属负载型催化剂能有效促进木质素苯丙烷单元间C-C键或C-O键的断裂转化为芳烃化合物,并对木质素脱出率和单体产率进行了评述与分析。对比分析了不同种类的溶剂对木质素的脱出率、碳水化合物的脱出率以及浆液的宏观结构造成的影响,发现醇类溶剂不仅可以断开木质素和半纤维素之间的酯键,而且可以保护纤维素和半纤维素不受破坏,从而达到生物质高值化利用的效果。最后对当前生物质解聚所面临的挑战以及未来研究趋势进行了总结与展望,指出通过催化剂和溶剂结合可以有效地解聚出木质素单体,因此催化剂开发和溶剂的选择将是该领域未来研究重点。

原料和热解温度对生物油分子蒸馏分离特性的影响

针对生物油组分复杂,难以直接应用的问题,该研究开展了不同生物油的分子蒸馏馏分分布规律的研究,并考察了不同原料和温度对生物油分子蒸馏分离特性的影响。热解液化试验结果表明,生物油组分以酸、醛、酮、酚、糖为主。随着热解温度的升高,松木生物油中轻质组分产率由21%不断降低至11%,而秸秆生物油中轻质组分产率稳定在20%左右。高温生物油各组分的平均分子自由程两极化程度加强,600℃制备轻质油蒸出比例最高,可以达到92%(松木)和86%(秸秆)。酚类化合物中酚羟基的数量可以影响其分离特性,较高的热解温度促进了酚羟基的产生,从而使酚类物质从蒸出部分(distillation fraction,DF)向残留部分(residual fraction,RF)中转移。分子蒸馏技术能够实现对不同生物油的有效分离,得到的DF中主要包含酸、酮和小分子酚类,RF则以糖和大分子酚为主,除了羟乙醛和苯并呋喃等化合物外,生物油中的大部分化合物的富集程度都可以达到90%以上。该研究可为快速热解生物油的分离及其后续提质研究提供一定的参考。

煤耦合生物质气化发电技术研究进展

煤电碳排放是我国能源消费碳排放的主要来源。生物质发电是一种零碳甚至可以是碳负排放的电力生产方式,因此发展煤耦合生物质气化发电技术可实现煤炭减量替代与碳减排效应,是一条煤电走向低碳化的可行路径。基于此,综述了煤耦合生物质发电的3种技术——直燃耦合发电技术、并联耦合发电技术和气化耦合发电技术,解析了3种技术的特点,提出了煤耦合生物质气化发电技术的优势,并基于气化耦合发电技术研究了原料的物理化学性质适应性及原料对气化炉的影响。重点解析了煤耦合生物质气化发电技术的工艺流程,包括生物质原料储存输送系统、气化炉(循环流化床(CFB)气化炉、双流化床(DFB)气化炉、下吸式固定床气化炉、上吸式固定床气化炉、横吸式固定床气化炉和链条炉)、燃气冷却降温系统、燃气加压输送系统、燃气耦合燃烧系统和气体净化系统,并进行了能源利用效率、经济性与环境效益分析,以期为煤耦合生物质发电技术的研究与应用提供理论参考与技术支持。此外,还综述了国家为推进煤耦合生物质气化发电技术出台的一系列政策及当前煤耦合生物质气化发电站的成功案例。最后对煤耦合生物质气化发电技术存在的挑战和未来的发展进行了展望。

纳米Fe_(3)O_(4)对沼液MFC产电特性与有机物降解的影响

为了提高微生物燃料电池(MFC)对沼液中有机质的降解和产电效率,将纳米Fe_(3)O_(4)与MFC结合,考察了纳米Fe_(3)O_(4)以Fe_(3)O_(4)@生物炭和Fe_(3)O_(4)@碳毡两种不同介入方式对MFC性能的影响。结果表明,两种方式均可成功启动MFC,且产电效率远高于无纳米Fe_(3)O_(4)介入的空白实验,最高电压分别为699和707 mV,最高电压持续时间均可长达10 d。Fe_(3)O_(4)@碳毡与Fe_(3)O_(4)@生物炭介入下,MFC最大功率密度分别为700和578 mW/m^(2),比未使用纳米Fe_(3)O_(4)的MFC提高了43%和31%。将Fe_(3)O_(4)@碳毡作为阳极电极得到的化学需氧量(COD)降解率最高,为51.76%;直接投加Fe_(3)O_(4)@生物炭对NH_(4)^(+)-N的降解影响最大,投加Fe_(3)O_(4)@生物炭后NH_(4)^(+)-N含量由(6800.14±57.86)mg/L降至(689.14±37.29)mg/L,NH_(4)^(+)-N降解率达到89.87%。纳米Fe_(3)O_(4)参与的MFC微生物群落结构合理,两种介入方式均刺激了主要水解细菌梭菌纲(Clostridia)的生长富集。随着纳米Fe_(3)O_(4)的位置变化,Clostridia的相对丰度在以Fe_(3)O_(4)@生物炭和Fe_(3)O_(4)@碳毡介入的MFC中分别达到61.11%、50.98%。二者的电活化细菌中β-变形菌纲(Betaproteobacteria)含量最高,并且在反应后碳毡上发现了反硝化细菌芽孢八叠球菌属(Sporosarcina)。

纤维素水热炭化液相与玉米秸秆混合发酵有机物转化与产气特性

为实现生物质资源的无害化处理与多级利用,本研究旨在探究纤维素水热炭化液相和玉米秸秆混合发酵过程中有机物转化及产气特性。为探究水热反应条件对混合发酵过程的影响,开展了不同条件水热炭化液相与玉米秸秆混合发酵实验。结果表明,与秸秆单发酵相比,在200℃(保温30min、60min、120min)和230℃(保温60min)条件下制备的水热液相和秸秆混合发酵的产气分别提升了7.32%、4.42%、22.08%、21.76%,其中甲烷最大累积量为1387mL。水热时间的延长和水热温度升高对最终产甲烷量都具有正向的促进作用;液相中的呋喃及其衍生物等抑制物并未对混合厌氧发酵产生明显的负面效果,反而被微生物分解为糠基醇等有机物,促进产气。水热炭化液相的加入促进了氢还原二氧化碳途径产甲烷菌的生长,协同乙酸产甲烷途径,促进了甲烷的生产。本研究结果可为优化水热炭化有机废液与秸秆混合发酵工艺提供理论基础。

基于卷积神经网络的数字调制分类识别

基于特征提取和模式识别的信号调制方式分类识别技术是非协作通信领域内应用广泛的重点研究对象。提出一种基于深度学习的通信信号数字调制识别算法,采用卷积神经网络找到数据的内在表达,实现逐层化地识别和分类MPSK、MFSK和MQAM中的六种调制信号。仿真实验结果表明,所提出的方法分类识别效果良好,基本达成了数字调制信号自动识别的目的。

生物质资源能源化与高值利用研究现状及发展前景

生物质是唯一能够直接转化为燃料的可再生能源,其开发利用既可以弥补低碳能源的需求,减少环境污染,也是中国实现“碳中和”目标的重要手段。该研究围绕以秸秆为主的生物质资源制备清洁能源和高值利用的总目标,系统分析生物质资源通过生物或热化学等转化途径制备气、液、固三相清洁能源的综合利用技术和模式,重点论述厌氧消化制备生物燃气、水热催化炼制醇烃燃料、裂解液化与生物油提质和生物质制备固体燃料4项技术发展现状与研究进展。在4项生物质转化技术中,厌氧消化制备生物天然气工业化程度最高,由于其大都基于大型养殖场建立,可有效解决原料收集问题,而且厌氧消化技术与沼气净化技术相对较为成熟,生物天然气可直接作为燃料、电力和热力来源供用户使用;由于生物质制备液体燃料中存在转化过程成本较高、产物分离困难、提质效率低、产品不稳定等问题,很难与当前应用端平稳接轨,因此水热催化炼制醇烃燃料、裂解液化制备生物油技术规模化发展水平较低;对于生物质制备固体燃料,其成型技术较为成熟,配套炉具的研发也有效解决了成型燃料应用端的问题,其规模化应用最大的难点在于原料的收集与存储。文章最后对未来生物天然气、生物质液体燃料与固体成型燃料发展前景进行展望,为实现农村生物质资源高效制备清洁能源及高值利用提供借鉴。

木质纤维素生物质厌氧发酵沼渣热化学转化利用研究进展

厌氧发酵技术可以将木质纤维素生物质转化为沼气,并伴随副产物沼渣产生。随着大型沼气工程的发展,大量沼渣排放已成为厌氧发酵技术推广应用的主要限制因素之一,亟须对沼渣进行快速有效处理。其中,沼渣的热化学转化利用符合大型沼气工程发展趋势,是当前的研究热点之一。首先分析木质纤维素沼渣的原料特性与热化学转化潜力;再对沼渣成型燃料、热解以及水热炭化等领域的研究现状进行分析,着重对沼渣衍生产物特性、热化学转化过程中存在的问题以及与厌氧发酵结合的潜在优势等方面进行讨论;最后,对沼渣热化学转化的发展趋势进行了展望。木质纤维素生物质厌氧发酵与沼渣热化学转化结合的应用模式研究对大型沼气工程推广应用具有一定的科学意义。

组合式非圆齿轮行星轮系取苗机构动力学分析与试验

针对组合式不完全偏心圆-非圆齿轮行星轮系旋转式取苗机构,应用动态静力分析法和动力学方程组序列求解法,建立机构动力学模型,开发出机构动力学分析软件求解模型,计算得到机构链条受力、各齿轮旋转中心和啮合点受力、支座反力的变化规律;建立了机构虚拟样机,加工出机构物理样机,开展机构动力学仿真分析和台架试验,得到两种情况下机构转速为60 r/min时支座反力与行星架转角之间的关系,取苗机构理论分析、仿真分析和台架试验所得到的支座反力变化规律基本一致,验证了取苗机构动力学模型的可靠性和动力学分析的正确性;与原取苗机构比较,本文取苗机构样机y方向支座反力的最大幅值和方差分别从155 N和1 171 N2减小为77 N和553 N2,降低了50. 3%和52. 7%,表明提出的取苗机构具有比原机构更优的动力学性能。

添加配重的蔬菜移栽机旋转式取苗机构动力学分析

以一种应用于蔬菜钵苗移栽机、能实现非匀速连续传动的新型旋转式取苗机构为研究对象,针对取苗机构运转平稳性问题,应用配重法改进取苗机构的结构,以减小机构振动、改善其动力学性能。建立配重优化设计模型,采用穷举法通过UG和ADAMS软件分析得到配重的质量和质心向径分别为0.21 kg和102 mm。应用ADAMS软件开展取苗机构动力学仿真与分析,并进行取苗机构样机的动力学试验,对安装配重前、后取苗机构支座反力的仿真和试验结果分别进行比较,验证取苗机构动力学性能的改善。试验结果表明,取苗机构x和y方向支座反力的最大幅值分别由改进前的409 N和77 N减小为369 N和69 N,降低了9.8%和10.4%;其方差由改进前的5 126 N^2和553 N^2分别减小为3 391 N^2和398 N^2,降低了33.8%和28%,表明取苗机构的动力学性能得到了改善,工作平稳性得以提高。

活化赤泥催化热解玉米芯木质素制备高值单酚

木质素富含芳香基团,对其催化热解可制取高值单酚,然而木质素热解气组分复杂,易导致单酚收率低及催化剂快速积碳失活,不利于提高经济效益。该研究利用酸溶-碱沉淀耦合焙烧处理方法制备低成本活化赤泥催化材料,研究活化赤泥催化热解玉米芯木质素制取高值单酚化学品的影响规律,同时对玉米芯木质素及活化赤泥催化剂进行结构表征,并对活化赤泥的催化性能及应用潜能进行分析。结果表明:赤泥活化处理过程可显著改善其自身的表面形貌、孔结构和催化性能;相比于木质素常规热解,活化赤泥提升了生物油中苯酚、烷基酚等高值单酚的含量(60.38%);与商业分子筛催化剂相比,低成本活化赤泥可高效制取单酚,且具备较好的循环使用性能,能作为商业介孔分子筛的有效补充;同时赤泥和木质素2种废弃物耦合共处理,具备潜在的经济与生态环境效益。研究成果为赤泥和木质素等固废的资源化利用提供基础参考。

白云石基多孔陶瓷负载Al2O3催化生物质热解试验

针对生物质热解催化剂煅烧白云石存在机械强度低、容易破碎的问题,提出以白云石和石英砂作为陶瓷主要骨料,烧制后经浓度0.3、0.5、1.0 mol/L Al2(SO4)3溶液处理,制成具有较高机械强度的白云石基多孔陶瓷;以制备的负载Al2O3的白云石基多孔陶瓷为催化剂,在水平管式炉上开展玉米秸秆粉催化快速热解试验。结果表明:当白云石与石英砂配比分别为30∶70、40∶60、45∶55、50∶50时,随着白云石所占比例的增加,生物油的产率先增大、后减小,生物炭的产率则先减小、后增大,当配比为40∶60时,存在生物油最大产率36.85%,生物炭最低产率25.11%。随着Al2(SO4)3溶液浓度的提高,生物油的产率不断减小,生物炭的产率先减小、后又增大,与未经Al2(SO4)3溶液处理相比,生物油产率的降低幅度分别为10.69%、15.33%、21.55%。生物油中醇类物质的相对含量略有增加,酮类、酸类、醛类物质的相对含量逐渐减小,但与不使用催化剂、未经Al2(SO4)3溶液处理时相比,酚类物质的相对含量有显著提高,表明Al2O3的存在有利于酚类物质的生成。热解所产生的不可冷凝生物气主要成分为CO、CO2、CH4、H2,其中CO2的体积分数最高,约占63%,其次是CO,约占32%。加入制备的白云石基多孔陶瓷后,CO2、CH4和H2的体积分数提高,CO的体积分数降低。

立式柱塞冲压生物质成型机设计与试验

针对目前生物质固化成型机多为生产生物质成型颗粒且成型颗粒质量不高、成型机高能耗等问题,提出了一种新型立式柱塞冲压的生物质固化成型方式,并制造了样机。样机以开关磁阻电机为动力源,驱动飞轮并转化为成型柱塞的上下往返直线运动,实现对模具内生物质原料的冲压成型,从而形成生物质成型块。该样机利用飞轮可积蓄能量的特性,有效降低了成型作业时的能耗。成型模具采用组合式结构设计,提高了原料适应性。以典型生物质原料玉米秸秆、松木屑为原料,在10%左右含水率、室温条件下进行了试验,结果表明该成型方法可行,且整机运行情况良好;生产的成型块密度大于等于1.2 g/cm^3,抗跌碎性指数高于95%;样机能耗为36.51 kW·h/t,各项指标均达到了相关标准的要求。该成型方法的提出和研究结果可为生物质成型机的发展提供借鉴与参考。

旋流导叶式生物质热解反应器内气固两相涡旋流动特性

针对生物质现有热解反应器存在的传热效果差、产物与催化剂不能及时分离导致产率降低等问题,采用计算流体力学方法与脉冲示踪实验测量法对旋流导叶式反应器内的固相体积分数梯度分布、停留时间分布等进行了研究。结果表明气固两相在新型反应器不同区域不同强度涡旋流场内哥氏力、离心力的作用下达到了较好的混合接触和分离效果,为实现反应器内的反应分离一体化过程提供了前提。研究发现,当催化剂粒径为10μm、剂气比为10. 5时,反应器达到最佳混合与分离效果。催化剂颗粒停留时间分布曲线呈平滑的单峰分布,拖尾较小,平均停留时间为1. 055～1. 235 s,催化剂颗粒流动接近平推流。

多层二次风配风对玉米秸秆颗粒燃烧降低NO_(x)产率及结渣的影响

秸秆类生物质具有碱金属及灰分含量高的特性,燃烧时灰分容易团聚结块而影响燃烧室内的配风及燃料的燃烧。该研究设计了一种具有多层二次风配风的生物质燃烧试验装置,以玉米秸秆颗粒为燃料,研究了不同一二次风分级配比、多层二次风配比对烟气中CO、NO_(x)等污染物浓度、燃烧效率及灰分结渣率的影响规律。结果表明:当采用一二次风分级配风时,能够显著降低烟气中NO_(x)的浓度,烟气中CO和NO_(x)的浓度变化趋势相反,呈现一种竞争关系。二次风位置较高或下层二次风量的减少,都易导致玉米秸秆颗粒燃烧不完全,CO浓度显著提升。与对照组相比,二次风多层配风下,燃烧室内各测点的温度和烟气中NO_(x)浓度均有所降低,最低NO_(x)浓度排放放生在W_(1)工况(空气系数为1.2,一、二次风配比为60%∶40%时,下、中、上二次风按(1/2,0,1/2)),约150 mg/m^(3)。当采用二次风多层配风时,结渣率大幅度下降,最低为4.5%。W_(1)工况的NO_(x)浓度和结渣率均较低,综合评价为最优工况。常用的硅比指数G、碱酸比、Na含量指数、碱性指数Al_(c)等4种结渣指数,均不能正确预测因燃料燃烧区温度T_(1)变化而造成的结渣倾向变化,为此在硅比指数G中引入燃料燃烧区温度T_(1)作为变量,修正后的硅比指数G_(t)可以很好地对玉米秸秆颗粒因燃料燃烧区温度T_(1)引起的结渣倾向变化进行预测。

完全连续式生物质水热转化系统的研发趋势

生物质水热转化技术具有原料适应性好、成本低、转化效率高的特点,使其具有未来工业化生产生物原油和化学品替代化石燃料的巨大潜力。本文综述了目前生物质水热转化连续式系统的研发进展,指出目前研发系统的主要环节部分仅水热反应器基本实现了连续化反应,而其他环节如原料进料、产物分离尚未实现连续化运行。分析表明,未来的生产模式要求具备效率高、能耗低、环保和节能等特点,才能实现商业化。本文提出了一套面向未来的完全连续式生物质水热转化系统模式。该系统可以实现包括生物质原料预处理、喂料/泵送、水热反应及产物分离各环节能完全连续化运行。同时,系统在产物分离过程中通过对关键水相产物反复循环回用进行热交换,实现更高的热效率实现节能;其次,通过水相产物的热量回收和水相产物循环回用实现过程水排放更加环保。通过分析实现此系统所需关键部件的研发进展,对该系统面对未来的商业化可能性提供了一种启示。

一种卫星通信终端辐射源细微特征提取方法

针对卫星通信中特定网络辐射源终端的个体识别问题,提出一种基于细微特征测量和目标元数据分析相结合的特征空间构建方法。该方法充分利用卫通终端辐射源个体物理层调制的稳态特征、特定字段网络层传输的稳态特征,并结合卫星信号侦察中元数据规律和关联分析的个体特征,提升了特征维度,实现了较低信噪比条件下对细微特征参量的精确估计。同时采用深度学习方法作为分类器,经实际采集的信号数据集训练学习,达到较高的识别效果。该方法具有特征提取方法简单、识别概率高、算法稳健性好等特点,理论分析、仿真试验和工程应用均验证了该算法的有效性。

生物质热化学转化提质及其催化剂研究进展

生物质通过热化学转化制备高品质生物油和高附加值精细化工品是未来工业发展的重要方向,是解决能源短缺、实现碳的闭路循环的有效方式,如何提升生物质热化学转化品质和效率是目前学术界和工业界关注的热点。本文介绍了不同技术路径下的生物质热化学转化研究进展,重点阐述了催化热解、水热催化、化学链转化三种方式的反应机理及其催化剂类型,讨论了生物质热化学转化提质策略。最后,针对生物质热化学转化目前尚存在的问题提出建议,期望为生物质高值化利用提供参考和借鉴。

生物质热解制备高品质生物油研究进展

生物质热解制备生物油是能源富集的有效途径,是实现碳闭路循环的重要方式,作为一种环境友好型技术受到广泛关注和研究。然而,生物质热解反应过程复杂,生成的生物油热值低、含氧量高及强酸性等特点,制约了生物油的分离提纯、制备合成气以及燃烧等方面的应用,生物油品质的提升迫在眉睫。本文从生物质三组分、原料预处理、反应参数、催化剂、反应器等方面综述了影响生物油品质的主要因素,分析了生物油的特点,不同预处理下生物质特性的变化与生物油的关系,催化剂参与的热解行为对提升生物油品质的导向作用以及常用生物质热解反应器的特点,并对影响生物油品质的主要因素进行了总结。最后,针对影响制备高品质生物油的诸多因素提出建议,以期为制备高品质生物油提供参考和借鉴。

白芹壅土机的设计与试验

白芹的壅土工艺是白芹栽培过程中劳动强度最大、最为关键的环节。为此,针对这一环节研制了白芹壅土机。该机主要由机体、壅土成型装置、传动系统、湿度调节装置和液压升降装置等组成,能够实现拢苗、取土和壅土。同时,对壅土成型装置中螺旋铰刀工作参数进行理论计算,并对整机进行田间试验。结果表明:含水率在30%～40%时,成型壅土形状规则,表面光滑,强度足够,白芹壅土机能够满足设计要求。