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、H_(2)、CO_(2)、CH_(4)和C_(n)H_(m)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CO_(2);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CO_(2)、CH_(4)和H_(2)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CO_(2)的占比则随着温度的升高而降低;在400~500℃之间CH_(4)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%、N_(2)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CO_(2)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CO_(2)的产生。

K_(2)CO_(3)催化热解棉秆及其含钾半焦产物对焦油的催化降解

生物质热解过程中产生的焦油对设备和环境造成严重危害,探究K_(2)CO_(3)催化棉秆热解生成焦油的影响机制以及含钾半焦对焦油的催化降解作用,对实现生物质能源高效利用具有重要意义。本工作在600℃条件下,采用卧式固定床催化热解实验装置研究棉秆的催化热解特性。结果表明:添加K_(2)CO_(3)能抑制焦油产生,K_(2)CO_(3)添加量为7.5%(质量分数)时,焦油产率由未添加K_(2)CO_(3)时的43%降至33%,且焦油中芳香烃含量增大。基于密度泛函理论的半纤维素模型化合物4-O-甲基葡萄糖醛酸的分子热解计算结果表明,钾活化了4-O-甲基葡萄糖醛酸侧链基团,使—OH更易于脱除。进一步以甲苯作为焦油的模型化合物,开展棉秆半焦异相降解甲苯实验研究,发现添加K_(2)CO_(3)使热解半焦的比表面积增大、半焦表面吸附位点增多,增强了甲苯的降解缩合反应。可见,添加K_(2)CO_(3)能在热解初始阶段减少焦油产生,同时回收含钾半焦作为催化剂能够强化焦油降解,为提高棉秆资源利用率提供了新思路。

棉秆、核桃壳活性炭吸附SO_(2)的性能研究

以新疆棉秆、核桃壳为原料,KOH为活化剂经炭化-活化制备生物质活性炭用于吸附SO_(2),比较相同条件下制备的棉秆和核桃壳生物质活性炭对SO_(2)的吸附性能。结果表明,炭化温度400℃,炭化时间60 min,剂料比为1∶1,活化温度800℃,活化时间60 min下制备的棉秆基活性炭对SO_(2)的吸附效果最好,棉秆活性炭饱和吸附量为62.887 mg/g,核桃壳生物质活性炭的饱和吸附量为22.050 mg/g。棉秆活性炭BET分析表明比表面积为1217.2474 m~2/g,总孔容为0.6403 cm~3/g;FT-IR分析有胺基、羟基等基团;XRD分析表面有石墨晶面(002)和(100)结构;SEM分析棉秆活性炭比核桃壳活性炭孔道丰富,孔隙分布均匀。

料慈竹经济秆材生物量模型

为快捷估算料慈竹(Bambusa distegia)林分经济秆材生物量(以下简称“经材重”),在叙永县不同立地条件的样地中取1-4a^(+)龄级料慈竹,对其经材重回归模型及其应用等进行了研究。分析不同竹龄的单株经材含水率及秆粗经材重,发现2a、3a经材重相比较大,含水量较低,适宜择伐利用。比较不同胸径径级单株经材重变化,得出培养大径竹材是提高竹林产量的有效途径。研究胸径、株高、胸高竹节长与经材重相关性,总结出胸径可作为构建料慈竹单株经材重模型的较佳变量。分别用一元线性回归、多元线性回归、曲线回归的方法构建并优选经材重估测模型,最终形成全竹龄模型1个,分竹龄模型4个。应用模型估算不同立地条件单位面积林分经材重,并与实际经材重进行对比,得到分竹龄估测值比全竹龄更准确的结论。分析料慈竹经材重与平均年龄、平均胸径、海拔、立竹密度、日照、水分条件的关系,发现竹龄平均值越接近于3a,平均胸径越大,海拔越低,水分条件越好,料慈竹经材重越高。经材重与立竹密度、日照相关性不显著。探讨如何合理留养可形成高产稳产态势,建议竹丛立竹年龄结构比1a∶2a∶3a∶4a^(+)应保持在3∶3∶3∶1较合适。

高比表面积生物质多孔碳的制备及其电化学性能

以玉米秸秆为碳源(CS),经Na2CO3溶液浸泡预处理后,采用KOH活化,制备了多孔生物质碳材料(CS-ACs)。通过形貌、结构表征及电化学性能测试,发现生物质碳材料CS-AC-3具备多级孔道结构,比表面积可达3299m^(2)/g。三电极体系下,该材料在6mol/L NaOH和0.5mol/L Na_(2)SO_(4)电解液中,1A/g电流密度下,比电容分别为272F/g、220F/g,循环5000圈后(5A/g),其容量保持率为89%和80%;二电极体系中,以该材料组装的CS-AC-3//CS-AC-3对称电容器具有1.4V的宽电压窗口和较好的电容特性。作为一种可再生廉价碳材料,CS-ACs在实际应用中有好的应用前景。

大粒径生物质成型燃料物理特性的研究

以华北产量较大的玉米秸秆、大豆秸秆为原料,采用H PB-III改进型生物质秸秆成型机,就大粒径秸秆粒度、含水率等对成型密度、抗水性影响因素进行了研究。结果发现,原料含水率在8%～15%时均很容易压缩成型,在12%左右成型效果最佳,成型密度接近或大于1g·cm-3。经抗水性试验发现其耐水浸蚀性能好,玉米秸秆成型燃料最长达300h,便于储存、处理及运输。从成型燃料专用燃烧设备燃烧试验看到,该成型燃料燃烧充分,燃烧效率超过98%,最高燃烧温度1100℃以上,燃烧过程飞灰少,不结渣或轻微结渣。

秸秆类生物质与石煤在流化床中的混烧与黏结机理

以玉米秸秆与石煤按不同比例组成的混合物为研究对象,在TG-DTG热分析仪上进行了燃烧特性分析,结果表明玉米秸秆有利于石煤的着火和稳定燃烧,对石煤有一定的助燃作用;在小型鼓泡流化床实验装置上,以石英砂为床料、石煤灰为添加剂,进行了玉米秸秆成型燃料流化床燃烧的床料黏结实验,结果表明:石煤灰能够在生物质流态化燃烧过程中有效地抑制流化床床料黏结现象的发生;通过对实验中形成的结团进行扫描电子显微镜X射线能谱(scanning electron microscopy/Energy-dispersive X-ray-SEM/EDX),对床料进行X射线荧光光谱(X-ray fluorescence,XRF)分析,结果表明石煤灰中的Al和Fe能够与生物质灰中的碱金属化合物以及低熔点共熔物发生化学反应生成高熔点物质,并且覆盖在生物质碳颗粒与石英砂颗粒表面形成隔绝层,从而阻止低熔点物质的生成与迁移。

滚扎甩碎组合式香蕉茎秆纤维提取机设计与试验

香蕉茎秆中含有丰富的植物纤维,其机械提取具有效率高、污染少等优点,是一项具有发展潜力的香蕉茎秆机械化处理技术。目前,由于香蕉茎秆粗大、含水率高等问题,机械提取香蕉茎秆纤维成熟技术较少。针对上述问题,该文研制了滚扎甩碎组合式香蕉茎秆纤维提取机,该机主要由传动系统、Ⅰ级滚扎装置、Ⅱ级滚扎装置、甩碎装置、电机等部分构成。样机性能试验表明:该机香蕉茎秆纤维提取率为89.2.%,含杂率为8.6%,生产率为206 kg/h,能耗为20.2 kW·h/100 kg,符合设计要求。与半喂入式香蕉茎秆纤维提取机相比,该机的提取率提高了8.1%,含杂率降低了6.5%,生产率提高了71.7%,能耗降低了10.6%。该研究可为香蕉茎秆纤维提机设计提供参考,对促进中国热带农业区香蕉产业发展具有重要的意义。

切碎棉杆高密度压缩成型的试验研究

对切碎棉杆进行高密度压缩成型试验,研究了压缩过程中压力与密度的关系,结果表明压力与密度的变化表现为指数关系。研究了压力、温度和切碎棉杆粒度大小对成型块松弛密度的影响,结果表明,在温度和初始密度相同条件下,压力增大,松弛比相应减小;在压力和初始密度相同条件下,常温压缩比加温压缩的松弛比大,当切碎棉杆温度在120～180℃范围内变化时,成型块的松弛比变化不明显;粒度越小,松弛比越小,但粒度在3～10mm变化时,松弛比没有明显差异。

烘焙预处理对秸秆热解产物品质及能量分布的影响

以玉米秸秆为原料,研究烘焙温度(220、250和280℃)对秸秆热解产物产率、品质和能量分布的影响。结果表明:秸秆经220、250和280℃烘焙后,热解生物油水分相比原样分别降低11.4%、28.3%和41.8%;与此同时,生物油中酸类产物逐渐减少,酚类产物逐渐增多,生物油热值明显增大。烘焙对热解气中CH_4和H_2有一定促进作用,可燃气的热值逐渐增大。烘焙对生物质炭的化学组分无明显影响,但随着生物质炭产率的增大,其能量产率逐渐增大。烘焙脱氧预处理可改善生物油的品质、提高可燃气的热值、增大生物质炭的能量产率。

玉米秸秆等离子体热裂解液化实验

采用山东理工大学自制小型流化床设备,利用玉米秸秆为原料进行了热裂解过程及生物油特性的实验研究。结果表明采用等离子体加热,整个反应器的预热时间大约为1.5 h,且反应过程中流化床内温度稳定,有利于生物质快速热裂解反应的进行。对反应产物——生物油热值特性作了分析,得出未经任何处理的生物原油的热值为18 066.62 kJ/kg,脱炭后热值低于脱炭前的生物油热值,其差值为3 446.71 kJ/kg,说明生物油中含有一定的固体炭。将脱炭后的生物油进行脱水处理后,测得生物油热值高出脱碳后生物油热值一倍左右。另外,玉米秸秆进行稀硝酸处理后,虽然玉米秸秆的热值降低,但裂解后生物油的热值有所提高,其热值差为913.74 kJ/kg。采用GC-MS分析得知,生物油是一种复杂的含氧有机化合物和水组成的混合物,也是导致其不稳定的主要原因。

棉秆催化热解特性及动力学建模研究

通过不同添加剂处理棉秆的热重实验,分析NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、NaCl、TiO2、HZSM-5六种添加剂催化棉秆热解动力学特性,结合原料的组分分析,建立三组分独立平行一级反应热解动力学模型对试样热失重行为进行模拟,采用非线性最小平方算法求解热解动力学参数。研究发现,添加剂的加入改变了三组分动力学参数,在碱性添加剂作用下,纤维素和半纤维素热解活化能都有较大程度降低,且碱性越强,纤维素热解活化能越低,而半纤维素热解活化能越高;中性添加剂NaCl对纤维素和半纤维素热解活化能的影响不大;酸性添加剂使纤维素和半纤维素的热解活化能有所增大,但所有添加剂对木质素热解活化能的影响不明显。

辣椒秆灰熔融特性分析

分别对辣椒秆在400、600、815℃成灰灰样进行X射线荧光(X-ray fluore scence,XRF)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析、灰熔融烧结及热重(thermo gravity,TG)试验。研究发现:不同温度成灰的形貌及元素比例均存在较大差异,成灰过程均未出现熔融结渣。但按煤质熔融特性指标进行理论计算的结果表明各温度成灰均已严重结渣,而灰熔点烧结仪试验发现各成灰温度灰样其变形、软化、半球和流动温度一致,均高于1100℃。对灰样进行TG实验,表明1100℃以后不同温度成灰的组分已一致,各温度成灰灰样含相同的起骨架支撑作用的高温熔融物质。XRF分析数据显示:随着成灰温度从400℃升高至600℃,灰样内K含量减少8.2%,Cl含量不变;当温度进一步升高至815℃,K含量减少16.6%,而Cl几乎全部析出。XRD分析表明:3个温度下灰样均含石英、铁酸钾、单钾芒硝与方镁石。400℃成灰还含方解石、碳酸钾钙石及钾盐,600℃时方解石与碳酸钾钙石消失,碳酸盐分解释放CO2,生成硅化钙,815℃成灰钾盐消失生成沸石。辣椒秆灰样的熔融特性主要取决于方镁石、石英、铁酸钾、单钾芒硝、沸石及硅化钙6种物质所生成的起骨架支撑作用的高温共融体。因此,实验中无论灰化温度为多少,其熔融特性均一致,评判辣椒秆生物质灰的真实熔融特性不应遵循煤质指标,而应从其本身所形成的共融物着手。

酶酸联合水解玉米秸秆的实验研究

开发了一种通过酸酶联合水解处理玉米秸秆以得到可发酵单糖的工艺方法,进行了稀硫酸预处理玉米秸秆的研究。得到最佳的工艺条件,木糖收率达到84.90%。用纤维素酶水解酸处理过的玉米秸秆,考察了pH值、温度、时间对酶水解率的影响,结果表明:酶解温度为50℃,pH值为4.8,水解时间为60h时,酶水解率达到91.71%。该工艺达到了节能高效地转化玉米秸秆为可发酵单糖的目的。

秸秆快速热解动力学特性研究

采用自行研制的大物料热重分析装置研究生物质(秸秆)在800、900、1 000℃等温条件下的热解特性。结果表明,大物料热重反应时间短,各个阶段反应相互叠加,热重分析曲线(DTG)出现多个峰值。采用化学动力学法拟合了秸秆在等温热解过程中的质量损失率与时间的单方程宏观模型,求取了活化能E和指前因子A,得到等温热解反应动力学方程,计算得到质量损失率和反应时间的理论曲线与试验曲线相吻合。

棉杆热解过程中焦孔隙结构演变及分形特征

为了解生物质热解过程中固体焦孔隙结构的演变行为,采用氮气等温吸附法研究了热解过程中棉杆颗粒孔隙结构的变化规律,并引入分形维数对其进行定量的描述。结果表明,热解过程中棉杆焦孔隙结构微孔与中孔先增多后减少,而大孔比例变化不大。棉杆热解焦的BET比表面积(SBET)随着热解温度的升高,经历了一个先增大后减小的过程,从450℃开始,SBET迅速增大,在650℃时达到最大值,而后逐渐减小。随着热解温度的升高,棉杆焦表面分形维数先增大后减小,表明棉杆焦在热解过程中孔隙表面经历了复杂的结构变化。分形维数与BET比表面积存在一定的关联性,且分形维数能更好地表征热解焦表面孔隙结构特征。

小麦和玉米秸秆热解反应与热解动力学分析

为了对生物质快速热解液化设备进行分析和计算 ,该文用热重、差热分析仪分别对小麦和玉米秸秆在不同升温速率下进行了热分析研究。结果表明 :小麦和玉米秸秆的热解特性基本一致 ,热解过程可以用同一种模型描述 ;随升温速率的提高 ,热解最高速率时的温度和热解最高速率明显提高。分析了小麦和玉米秸秆热解反应过程 ,提出了平行一阶反应动力学模型并计算出模型中各参数 ,将该模型的计算结果、现有一阶反应模型的计算结果分别和试验数据进行了对比 ,结果表明 。

中国主要农作物生物质能生态潜力及时空分析

[目的]农业生物质能资源可开发潜力的估算是农业生物质能科学开发利用研究的关键和基础。同时农作物秸秆还田具有维护和增强土壤功能的作用,因此对农业生物质能生态潜力的评估,是实现农业生物质能可持续开发的重要前提。基于此,考虑土壤生态要求,研究不同还田比情景下中国主要农作物的生物质能生态潜力,并对其时空间特性和结构构成进行分析,为中国农业生物质能的开发利用提供参考。[方法]首先,结合相关历史统计数据,运用线性回归法、文献调研和专家预测等方法,对未来全国农作物播种面积、各省(市、自治区)播种面积占比、主要农作物种植比例和单产进行预测;其次,在分析已有相关研究的基础上,对秸秆的草谷比、工业比、饲料比和燃烧比进行设计,并从保护土壤功能的角度,结合相关研究文献,运用情景分析法,设计高、中、低三种秸秆还田比情景;最终,从空间分布和时间分布的角度,对中国主要农作物最终可利用生物质能潜力进行分析说明,并提出相关发展建议。[结果](1)到2050年,低还田比(0.3)、中还田比(0.5)和高还田比(0.75)情景下中国主要农作物最终可利用生物质能分别为1.86亿吨标煤、0.93亿吨标煤、0.15亿吨标煤,且随着时间的推移,中国主要农作物最终可利用生物质能会发生空间、时间和种类构成集聚的现象;(2)在低、中还田比情景下,中国主要农作物最终可利用生物质能主要分布在东北、华东、华中,其中河南、黑龙江、山东、新疆等地占比较大;从时间分布上来看主要集中在8月、9月和10月,从构成上来看主要是由稻谷、小麦和玉米秸秆构成;(3)在高还田比情景下,从空间上来看则主要集中在华东、华中、华南和西南,其中广西、云南、河南、黑龙江等地占比较大,时间上则集中在1月、2月、11月和12月,在构成上则仅由小麦、豆类、薯类和甘蔗构成。[结论]在主要农作物生物质能开发方面,可优先考虑河南、黑龙江、新疆、山东等地。在构建区域农作物秸秆集散基地、农业生物质能开发利用产业基地、大型秸秆直燃发电基地等大型综合农业生物质能开发项目,可优先考虑东北和华中区域。此外,可通过农作物种植结构调整、提高农业管理水平等措施,进一步提高西南、西北地区主要农作物最终可利用生物质能潜力。

打捆秸秆的燃烧特性和影响因素分析

利用自主设计的实验台研究生物质秸秆打捆燃料的燃烧特性和影响因素。实验结果表明:生物质秸秆打捆燃料的燃烧是由外向内进行的,燃烧过程经历水分蒸发、热解、燃烧和燃尽4个阶段;当给风量为70m^3/h时,玉米秸秆打捆燃料着火锋面向下传播的速度比向上传播的速度快,内层传播的速度比外层传播的速度快,燃烧完全所需的时间较长;随着风量的增加,在给风量为90、110m3/h条件下,着火锋面向上传播的速度超过向下传播的速度,外层传播的速度超过内层传播的速度,着火锋面温度随着风量的增加而增大;继续增大风量,当给风量为130m^3/h时,燃烧完全所需的时间最短,但着火锋面温度峰值有所下降;同在给风量90m^3/h下,小麦秸秆打捆燃料由于内部较松散,其向上、向下、内层着火锋面传播速率和着火锋面温度均高于玉米秸秆打捆燃料。

棉秆不同组分热解特性及动力学

该文采用耐驰STA449C热重分析仪,氮气气氛下,终止温度为600℃,升温速率为5、10、20、30℃/min,对棉秆、棉皮、木质、棉芯的热解特性进行了研究。TG-DTG曲线反映了4种物质具有相似的热解规律,热解过程分为4个阶段:失水,预热,主热解、炭化。棉皮在棉秆结构成分中灰分含量最高,造成其热解残留物较多。木质、棉芯成分中挥发分较多,其最大失重速率较大。通过积分法Stava和微分法Achar两种方法求解了机理函数,研究表明在转化率α=10%～80%过程中,4种物质的活化能较稳定,棉皮活化能值较高。4种物质最可能机理属于随机成核和随后生长机理,但反应级数存在差异。该研究对棉秆再利用及生物质热解装置的正确设计以及工艺参数优化具有重要的指导意义。