生物质三组分对成型颗粒物理性能的影响

为探究生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)对成型颗粒物理性能的影响,以棉秆、木屑以及生物质三组分为研究对象,单独或按一定掺混比例混合后制备成型颗粒,使用电子万能材料试验机分析了成型颗粒的表观密度和抗压强度,利用X射线光电子能谱仪分析了生物质成型前后分子结构的变化。结果表明:纤维素直接影响成型颗粒的抗压强度,半纤维素和木质素主要作为黏结剂,协同纤维素间接提高成型颗粒的抗压强度。向棉秆中加入纤维素或半纤维素后,其混合成型颗粒中的C—OH官能团均明显提高,且产生了新的C=C官能团,有利于形成分子间作用力和提高分子结构的稳定性,增强成型颗粒的物理性能。

水热及水热氧化预处理对木屑成型颗粒理化性质的影响

生物质成型处理可以提高生物质的能量密度而降低其运输与储存成本,有利于生物质资源的综合利用。该研究以杉木屑为研究对象,经170~260℃水热及水热氧化预处理后制备成型颗粒,并使用范式法、X射线衍射仪和热重分析仪等测试手段分析了水热及水热氧化预处理过程对木屑及其成型颗粒理化性能的影响。结果表明:与原料相比,水热及水热氧化预处理后木屑成型颗粒的机械性能从原料的16.2 MPa分别增至38.9和41.1 MPa,水热氧化预处理对木屑的机械性能提升更有效。在水热及水热氧化预处理过程中,随着预处理温度上升,木屑样品的结晶度均呈现先升高后降低的趋势,分别在230和200℃时达到最高值,且成型颗粒的机械性能与木屑中纤维素含量及其结晶度呈正相关趋势,结晶纤维素是影响其成型过程的关键组分。与原料相比,水热及水热氧化预处理明显改善了木屑成型颗粒的燃料品质及其燃烧性能,成型燃料的热值、综合燃烧指数和稳燃指标均得到明显提升,其中水热氧化处理更有利于木屑炭化程度的提升。

粒径对棉秆成型颗粒热解动力学特性的影响

基于TG-DTA同步热分析技术,对棉秆成型前后不同粒径下的热解特性进行研究。结果表明:成型过程可以使棉秆的组织结构发生变化,热稳定性增强。粒径较小(>20目)时,其热解特性受本征化学反应和外扩散为主的传热作用的控制;当粒径进一步增大时,内热阻的影响作用随之增大。利用Li Chung-Hsiung积分法拟合成型颗粒在等速升温热解过程中的单方程宏观动力学模型对比分析不同粒径下的活化能E和指前因子A的变化规律,为棉秆成型颗粒燃料的热解技术应用提供相应理论模型。

纳米TiO_2成型颗粒降解采油废水的试验研究

为了解决粉体纳米TiO2及负载型的TiO2在处理废水过程中存在的问题,在常温条件下,采用溶胶-凝胶法制备出纳米TiO2的成型颗粒,较大的粒径有利于催化剂的分离、回收和重复利用。同时对制备的纳米TiO2的成型颗粒光催化剂,采用XRD、SEM等手段对其进行表征。结果表明,所制备的催化剂以锐钛矿型存在,平均粒径350μm,催化活性良好、表面积大、有特殊的多孔结构。利用自制的纳米TiO2成型颗粒处理冀东油田的采油废水,处理后出水的COD达到污水综合排放标准(GB 8978-1996)二级标准,COD去除率达到61%。

温度对玉米秸秆成型颗粒烘焙制备生物炭及其特性的影响

采用低温烘焙技术制备玉米秸秆成型生物炭,可解决玉米秸秆带来的环境污染及资源浪费。研究以玉米秸秆成型颗粒为原料,利用固定床反应器,制备了不同烘焙温度(250～400℃)成型生物炭,采用元素分析、工业分析、能量产率、质量产率、机械性能、疏水性、红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)、元素K含量等分析生物炭特性。随烘焙温度升高,热值增加,能量产率降低,400℃时,成型生物炭热值为21.86MJ/kg,能量产率为50.17%。成型生物炭颗粒表面裂纹增多,机械性能降低,350℃烘焙成型生物炭(CSP350)机械性能好于400℃烘焙成型生物炭(CSP400),低于成型生物质颗。烘焙生物炭疏水性提升,可贮藏于室外。成型玉米秸秆经烘焙热解发生了脱水、脱羰基、脱甲基反应,纤维素、半纤维素热解剧烈,木质素开始热解。随温度升高,其孔径呈下降趋势,比表面积增大。结果表明,玉米秸秆成型烘焙生物炭可作为优质生物燃料,适宜制备温度为300～350℃。

木质成型颗粒生命周期能量和温室气体排放分析

利用混合生命周期评估方法对木质成型颗粒的可持续性进行评价,结果表明:木质成型颗粒全生命周期的能耗为0.11MJ/MJ颗粒,其中直接能耗79%,间接能耗21%,所占比例最大的是颗粒生产阶段的电力投入和生产设施投入;颗粒全生命周期的温室气体(GHG)排放为215kg CO2-eq/t颗粒,颗粒生产电力消耗造成的排放最大,其次是颗粒燃烧直接排放;生物质成型颗粒具有良好的可持续性,能在节能减排中发挥重要作用。

玉米秸秆成型颗粒快速燃烧特性及反应动力学研究

基于等温热重分析技术,采用化学动力学法拟合燃烧过程中质量损失率与时间的单方程模型,对不同燃烧温度与成型密度下柱状玉米秸秆成型颗粒的快速燃烧特性进行研究。结果表明:玉米秸秆成型颗粒在600℃下成型密度较大,燃尽时间较长,到达热失重速率(DTG)曲线峰值时间较长;相同密度的成型颗粒,随温度的升高,燃尽时间缩短,DTG峰值高度越高,到达峰值的时间越短;在该实验变量控制范围内,成型密度和外部环境温度对燃尽率无明显作用;通过动力学计算得到玉米秸秆成型颗粒的反应级数在0.5~0.7之间。由实验数据曲线拟合得到拟合方程,求解出活化能E及指前因子A。

生物质成型颗粒燃料气化锅炉的设计研究

根据生物质成型颗粒燃料特性及燃烧规律,通过详细的热工计算设计了生物质成型颗粒燃料气化锅炉。锅炉采用往复炉排,增强了炉膛燃烧强度,高的炉膛高度使得锅炉气化燃烧的程度增加,从而提高了锅炉的燃烧效率和热效率。

生物质成型颗粒热解特性的实验研究

目前生物质层燃锅炉在我国得到了较快发展,其使用的燃料多为生物质成型颗粒。为了对生物质成型颗粒燃料特性及层燃特性进行深入分析,应用TA热重分析仪和大颗粒热重实验台,对秸秆和木屑两类成型颗粒进行了热解特性的实验研究。实验结果表明:生物质成型颗粒热解起始温度低、析出的挥发分高,同时不同颗粒粒径对热解过程有一定的影响。最后通过热分析动力学方法计算得到热解反应动力学参数。

棉花杆成型颗粒循环流化床流化及气化特性

通过成型棉花杆颗粒冷态流化试验与床料混合试验,得到了关于成型棉花杆颗粒的流化特性,包含临界流化速度、与各种不同粒径石英砂的混合分布情况。在此基础上,开展了700～800℃下的1MW循环流化床气化试验,研究了该种棉花杆成型颗粒的气化特性,试验结果表明该种生物质成型颗粒在循环流化床中运行稳定,产生的燃气热值在4500 kJ/m^3左右,属于低热值燃气,燃气产量约为1.70 m^3/kg,焦油产率低于1.5 g/m^3。

生物质成型颗粒管式炉内热解的异维协同模拟

以成型颗粒在卧式管式炉中燃烧时的热解阶段为例,对成型颗粒采用一维壳层模型划分单元,采用Matlab软件编程求解;对炉内环境采用二维模型划分单元,用Fluent软件计算;计算过程中颗粒和环境间的数据交换采用C程序编写的Matlab和Fluent各自I/O函数实现。结果表明,计算和实验数据吻合良好,计算速度快。

松木屑成型颗粒制备富氢产品气试验研究

基于生物质气化技术，采用下吸式气化炉为反应器，以高温水蒸气作为气化剂，选取温度和S／B（水蒸气流量与生物质气化量比）作为影响因素，炉体温度的变化范围700～950℃，S／B取值范围0．3～1．0，对产品气的组分变化规律进行分析，探讨了炉内的气化反应特性。试验结果表明，下吸式气化炉碳层内的水蒸气气化反应及焦油裂解反应对制取富氢燃气有重要作用，H2和CO的产率随温度的升高而增加，在温度增加到一定值后，H2体积分数达到峰值，继续升高温度导致H2的体积分数有所下降。S／B的增加有利于产品气中的H2含量的提升，但吸热反应造成炉内床体的反应温度下降，抑制H2体积分数的增加。在本试验条件下，H2的体积分数最大达到47．67％，对应的工况S／B为1．0．温度为900℃。

木屑压缩成型颗粒圆周表面形貌分形参数研究

精确地表达生物质成型颗粒圆周表面粗糙形貌是生物质成型机关键部件摩擦磨损机理分析及磨损预测研究的关键。选择原料为混合木屑的生物质成型颗粒,在直径6 mm、颗粒度1~3 mm、含水率11%、密度1.2 g/cm^(3)的条件下,测出其圆周表面形貌及轮廓数据,利用成型颗粒圆周表面粗糙形貌所具有的统计自相似性和标度不变特性,采用盒子计数法、结构函数法、变差法3种方法分别计算出成型颗粒圆周表面的分形维数D和分形特征参数G,再根据W-M分形函数,建立生物质成型颗粒圆周表面粗糙形貌的分形函数模型,进行了数值模拟。结果表明:木屑压缩成型颗粒圆周表面粗糙度均值为1.45μm时,D的均值约为1.6,G值约为2.24×10^(-5)m。分形模型对木屑压缩成型颗粒圆周表面的粗糙形貌模拟准确合理,所测得的分形参数准确;在测定分形维数D的过程中,盒子计数法的计算精度相对更高。本研究为重构准确可信的生物质成型颗粒圆周表面粗糙形貌数字化模型,实现成型颗粒圆周表面与成型模具接触状态仿真分析奠定基础。

基于模糊层次分析法的木质成型颗粒环境影响评价

为建立木质成型颗粒环境影响评价体系,采用生命周期清单分析及模糊层次分析法,获得温室气体、土壤质量、其他排放气体、水体质量和生物多样性5类共17个综合指标。同时,以河南洛宁林场刺槐人工林为对象,对其成型颗粒产业进行环境影响评价。通过评价体系可知,温室气体(0.33)权重最大,土壤质量(0.26)、其他排放气体(0.25)对环境的影响程度远大于水体质量(0.10)和生物多样性(0.08)。刺槐成型颗粒燃料产业环境可持续性评价得分为0.44,表明其能发挥一定的减排作用,但可持续程度不高。其中,土壤碳饱和赤字、土壤全氮、土壤总有机碳正向指标得分均小于零,这与当地刺槐人工林经营不施肥有关。研究结果表明,该体系可为木质成型颗粒产业进行环境影响评价提供科学依据。

水热氧化预处理对棉秆成型颗粒理化性质的影响

以棉秆为研究对象,经180~280℃水热氧化预处理后热压制备成型颗粒。利用热重分析、X射线衍射(XRD)及傅里叶变换红外光谱(FTIR)等分析手段,考察了水热氧化预处理温度对棉秆成型颗粒理化性能及燃烧性能的影响。结果表明:随着水热氧化温度的升高,棉秆的固相产物产率降低,半纤维素于180℃之前完全分解,无定形纤维素于200℃完全分解,结晶纤维素于260℃完全分解,水热氧化固相产物的纤维素结晶度呈现逐渐减小的趋势,而木质素相对含量增加;棉秆成型颗粒的固定碳含量、热值和能量密度增加,但燃烧性能变差。水热氧化预处理后棉秆成型颗粒的表观密度保持在1300kg/m^(3)左右,抗压强度则随着水热氧化温度的增加而下降,其中180℃水热氧化预处理后棉秆成型颗粒的抗压强度相比原料成型燃料增加了183.33%。本研究范围内,经180℃水热氧化预处理后获得的棉杆成型颗粒的燃烧性能和物理性能最佳,其热值为17.76MJ/kg,能量密度为23.44GJ/m^(3),抗压强度达11.90MPa,可作为优质生物质成型燃料使用。

复合粘结剂对生物质成型颗粒密度与能耗的影响

以棉秆、麦秆和油菜秆为原料,通过向其中加入不同的复合粘结剂于台式模压单元上进行成型实验来考察生物质成型颗粒的特性。结果发现,对于棉秆和麦秆而言,加入粘结剂后的成型颗粒比未添加粘结剂的成型颗粒的松弛密度大幅提高,并且能耗减少20%以上。综合考虑成型颗粒品质、能耗以及经济成本等因素,棉秆和麦秆成型颗粒的最优复合粘结剂(羧甲基纤维素、Al2O3、Fe2O3和黏土)的质量比分别为4∶4∶5∶7和3∶5∶6∶6,而油菜秆由于自身特性,需进一步探讨其最佳成型方式。通过红外光谱和金相显微镜图像分析,粘结剂中的羧甲基纤维素与成型颗粒中微小粒子相互交联形成"桥键"加强原料粒子间的粘结力,但由于油菜秆中提取物含量较高,导致原料粒子表面形成的角质层阻碍粘结剂与原料粒子之间的相互作用。

生物质成型颗粒圆周表面形貌分析研究

生物质成型颗粒圆周表面形貌是生物质成型机核心部件——成型模孔与成型颗粒间建立接触力学分形模型,并预测成型模孔摩擦磨损的关键。选用成型模孔直径规格为6、8 mm的环模成型机压缩而成的生物质成型颗粒(3种材料颗粒度1~3 mm、含水率11%)为试验样本,利用粗糙仪采集其圆周表面粗糙形貌数据,测量其直径、密度和硬度,分析其关联性,并通过扫描电镜分析其圆周表面粗糙形貌,结果表明:生物质环模成型机的成型模孔在与成型颗粒接触过程中,产生摩擦磨损,导致成型模孔直径d0增大,压缩后成型颗粒直径d也随之增大;成型颗粒密度ρ和硬度HD随其直径d的增大而下降,成型颗粒算术平均粗糙度Ra值则随直径d的增大而上升;圆周表面粗糙度中心轮廓的最大材料率Mr2值,随成型颗粒直径d的增大总体保持在80%~90%之间。

棉花秆粉末掺混油泥制备成型颗粒的燃烧特性研究

为提高油泥与棉花秆低能耗掺混成型的资源化利用,将油泥与棉花杆粉末按不同比例进行掺配,在50℃下制备成型颗粒,开展热天平分析和成型颗粒燃烧失重实验,根据等温热分析双对数法进行动力学分析。结果表明:在50℃时棉花秆粉末与油泥即可实现成型,但密度比高温成型时稍小。炉温较低时,添加油泥降低了成型颗粒挥发分的析出和燃烧速度,炉温较高时却明显加速这一过程。纯棉花秆粉末在120℃条件下制备的成型颗粒燃烧反应活化能为75.12 kJ/mol,油泥添加后降低了反应活化能,当添加比例为20%时,燃烧反应活化能降低至34.46 kJ/mol。

玉米秸秆成型颗粒热解炭抗压强度和收缩特性实验

文章在300~800℃的热解温度下制备了玉米秸秆成型颗粒热解炭,并分析了这些热解炭的抗压强度和收缩特性。分析结果表明:当热解温度为300~700℃时,热解炭的径向和轴向收缩率均随着热解温度的升高而增大;同一热解温度下,径向收缩率均大于轴向收缩率,径向收缩率从12.3%增大到24.2%,轴向收缩率从9.1%增大到18.4%;当热解温度升高到800℃时,热解炭的径向和轴向收缩率均略有回降;当热解温度为300~600℃时,热解炭的抗压强度约为1 MPa,当热解温度为600~800℃时,热解炭的抗压强度约为2 MPa;热解炭的径向抗压强度略大于轴向抗压强度。

玉米秸秆成型颗粒高温热解和燃烧特性研究

为分析玉米秸秆成型颗粒燃烧过程中挥发分析出阶段的作用及反应温度对成型颗粒燃烧特性的影响,本文针对成型颗粒设计了等温反应试验系统,在700»1000℃范围内开展成型颗粒高温热解和燃烧实验,分析不同条件下的失重速率与挥发分析出完成时间.结果表明:成型颗粒的高温热解和燃烧均可分为两个阶段,热解过程第一阶段的挥发分析出致使成型颗粒失重达到70%左右,剩余焦炭在第二阶段继续加热过程中失重量很小;燃烧过程第一阶段除挥发分析出外,表层焦炭也在燃烧,且产生的高温可加速成型颗粒内部挥发分的析出,第二阶段为焦炭燃烧.从700℃升高至1000℃时,高温热解和燃烧的第一阶段时间分别缩短了47.6%和44.4%,而燃烧过程中焦炭的燃烧速率提高了约3倍.