整包秸秆的微波热解特性研究

论文摘要

我国的生物质尤其是农作物秸秆资源十分丰富,但其能源化利用程度不高。目前,几乎所有的秸秆类生物质能源转化技术都需要对原料秸秆进行破碎,由此增加了系统的复杂性、初投资和能耗。因此,需要寻求一种秸秆无需破碎即可利用的新方法。本文提出了一种不需预破碎的秸秆类生物质能源转化方法一整包秸秆的微波热解,无需对秸秆进行破碎,而是对其压缩打包实现整体热解利用,并与电加热常规热解进行了对比。首先,在微波热解实验台上进行了微波加热下整包秸秆的热解过程和传热机理的研究。秸秆的微波热解过程分为四个阶段:干燥阶段、预热解阶段、挥发分大量析出阶段和炭化阶段,各阶段对应的温区和加热机理不同:在微波加热下大尺度物料（整包秸秆）的传热方向由表层向内部,传质方向由内部向表层,这与经过破碎的小尺度物料不同;微波加热下料包内部温度场均匀性较好,微波功率越大,料包内部温度场越均匀;较之微波热解,常规热解预热阶段不明显,没有挥发分析出平台期,料包内部沿导热方向温度单调递减。其次,采用热重分析方法研究了整包秸秆的微波热解特性,分析了热解产物以及热解过程的能耗。整包秸秆的微波热重特性与常规热重基本吻合,180℃～450℃温区为挥发分析出最多的阶段,高于450℃后物料失重缓慢;微波功率增大,热解各阶段的起始时间提前,最大热解速率增大,最终热解时间减小,但微波功率对热解最终温度影响不大;在微波功率为668W/（kg秸秆）下,秸秆热解最终三相产物中炭最多、液体其次、气体最少;热解气体的主要成分为CO、CO2、H2、CH4和少量小分子烃,纯热解气中H2含量最大可高于35 vol.%,合成气（H2+CO）含量高于50 vol.%;热解气各组分含量和热解气热值随时间的变化趋势都是先由零增大到最大值后减少,CO、CO2含量最大值点比其他气体组分先出现;秸秆微波热解炭的比表面积约为30～40m2/g,比常规热解炭大;在本文实验条件下,秸秆微波热解的耗电量在0.58～0.88 kW·h/（kg秸秆）之间,并且随着微波功率的增大,单位质量秸秆完成热解所需电耗增大;在功率可对比的情况下,微波加热比电加热速度快、热解气热值高,微波热解气焦油含量比电加热热解气高。最后,理论分析了整包秸秆的微波热解宏观反应动力学特性。建立了一步多反应竞争模型描述本实验中的微波热解反应,根据实验数据求出了不同微波功率下的表观活化能、指前因子和反应级数。当微波功率为334w/（kg秸秆）和668W/（kg秸秆）时秸秆活化能分别为24～27 kJ·mol-1和67～71 kJ·mol-1,反应级数都为一级,活化能和指前因子都随微波功率的增大而增大。整包秸秆的微波热解不需秸秆破碎,在热解过程和热解产物方面体现出了一定的优势,为秸秆类生物质的能源化利用提供了一种新思路和新途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 生物质能概况
• 1.2 生物质能源转化技术
• 1.2.1 物理转化技术
• 1.2.2 生物转化技术
• 1.2.3 化学转化技术
• 1.3 本文的研究目的和主要内容
• 第2章 微波热解技术及研究进展
• 2.1 微波加热原理
• 2.1.1 微波媒质的分类
• 2.1.2 介电加热类型和偶极子极化加热
• 2.1.3 微波加热的优势
• 2.2 微波热解技术国内外研究现状
• 2.2.1 微波热解技术的国外研究现状
• 2.2.2 微波热解技术的国内研究现状
• 2.3 本章小结
• 第3章 整包秸秆的微波热解特性研究
• 3.1 实验样品和实验系统
• 3.1.1 实验样品
• 3.1.2 实验系统
• 3.2 实验流程及产物分析方法
• 3.2.1 实验流程
• 3.2.2 产物分析方法
• 3.3 微波加热下秸秆的热解过程和秸秆包的传热机理
• 3.3.1 微波加热下的秸秆热解过程
• 3.3.2 微波加热下秸秆包的传热机理
• 3.3.3 整包秸秆三维方向温度分布
• 3.3.4 微波功率及微波布置方式对温度场的影响
• 3.4 秸秆的微波热重特性分析
• 3.4.1 热解曲线分析
• 3.4.2 挥发分析出分布和微波功率对热解速率影响
• 3.5 秸秆的微波热解产物分析
• 3.5.1 三相产率
• 3.5.2 气体产物分析
• 3.5.3 固体产物分析
• 3.5.4 液体产物分析
• 3.6 微波热解过程能耗
• 3.7 秸秆类生物质微波热解反应动力学分析
• 3.7.1 秸秆类生物质微波热解反应模型的建立
• 3.7.2 秸秆类生物质微波热解反应动力学参数的确定
• 3.8 本章小结
• 第4章 整包秸秆的常规热解实验研究
• 4.1 实验装置及系统
• 4.2 料包内部温度场分析
• 4.3 现象与产物分析
• 4.3.1 气体产物
• 4.3.2 固体产物和液体产物
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表