生物质快速热解特性试验研究

论文摘要

生物质能源的开发和利用是缓解我国能源和环境压力,建立可持续发展能源系统的有效措施,其中生物质快速热解技术是生物质应用的途径之一,并且为生物质再燃降低NOx技术提供理论依据。本文建设了一维恒温沉降炉试验台,对稻壳、秸秆、木屑和一种烟煤在氮气氛围下进行了快速热解试验,研究物料种类、热解温度、颗粒粒径和停留时间对热解气体产物组分和气固相产率的影响规律,对热解固体产物焦炭进行孔隙结构研究,同时对热解动力学参数进行了研究。采用GASBOARD-9151煤气成分分析仪、气相色谱仪（GC6890）和便携式FTIR（GASMET DX-4000）分析了热解气体成分。在快速热解时,四种物料快速热解气体成分主要为CO、CO2、H2、CH4,而C2H4、C2H6、HCN、COS的含量较少。在相同的热解条件下,生物质快速热解产物CO浓度最高,而烟煤热解H2浓度最高;随热解温度升高,升温速率增加,热解所需时间缩短,气体产率增加,焦炭产率减少,气体组分中CO、H2的浓度升高,相反,CO2、CH4浓度降低;木屑在1273K热解时,随粒径的减小,升温速率增加,CnHm、CO2的浓度增加,而CO浓度减小;随热解停留时间的延长,热解气体产物组分浓度不断发生变化,当其达到平衡时,热解过程结束。在恒温沉降炉获得快速热解条件下不同温度和不同物料的焦炭试样,采用美国Quantachiome公司AUTOSORB-1-C全自动比表面积及孔隙度分析仪测定低温吸附等温线,通过分析低温氮吸附等温线形态、计算焦炭比表面积和孔容积等孔结构参数及焦炭表面结构的分形分析,研究快速热解焦炭孔隙结构的变化规律,为进一步研究生物质、焦炭的反应过程和反应特性奠定基础。试验条件下,随热解温度升高,焦炭的BET比表面积和总孔体积呈现增大趋势,焦炭表面分形维数增加;相同的热解条件下,生物质焦炭的BET比表面积、总孔体积明显大于烟煤焦炭,生物质焦炭表面分形维数大于烟煤焦炭。试验表明,生物质热解焦炭的孔隙结构趋于复杂,反应活性有所增加。研究结果为进一步分析生物质再燃还原NOx特性提供参考。利用恒温沉降炉进行生物质的快速热解试验,得出各工况下的失重结果,采用Arrhenius定律建立了一维反应动力学模型,并对试验数据和理论预测值进行了拟合验证,结果表明,实验结果和预测值除个别工况条件下有一定误差外,绝大多数计算值吻合较好,验证了所建模型的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 我国的能源状况
• 1.1.2 生物质的利用方法
• 1.2 生物质热解技术
• 1.2.1 热解技术的分类
• 1.2.2 影响生物质热解的因素
• 1.2.3 生物质热解反应器
• 1.3 生物质热解的国内外研究现状
• 1.3.1 生物质热解过程的试验研究
• 1.3.2 生物质热解动力学研究
• 1.4 本文的研究内容及意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究意义
• 1.5 本章小结
• 第2章 试验装置以及试验仪器介绍
• 2.1 恒温沉降炉系统
• 2.1.1 反应炉本体
• 2.1.2 配气系统
• 2.1.3 给料系统
• 2.1.4 取样分析系统
• 2.1.5 温度测量及控制系统
• 2.1.6 烟气冷却系统
• 2.2 试验仪器介绍
• 2.2.1 气相色谱仪
• 2.2.2 煤气成分分析仪
• 2.2.3 便携式傅立叶红外光谱仪（FTIR）
• 2.3 本章小结
• 第3章 生物质快速热解试验研究
• 3.1 生物质快速热解试验
• 3.1.1 试验方法
• 3.1.2 试验物料
• 3.1.3 试验工况参数
• 3.1.4 升温速率的确定方法
• 3.1.5 试验停留时间的计算方法
• 3.2 数据处理方法
• 3.3 试验结果及分析
• 3.3.1 燃料种类对快速热解产率及气相组分的影响
• 3.3.2 热解温度对热解过程及热解气相组分的影响
• 3.3.3 颗粒粒径对快速热解气体组分的影响
• 3.3.4 停留时间对快速热解气相组分的影响
• 3.4 快速热解过程中元素转化规律的分析
• 3.4.1 各元素消耗规律的计算方法
• 3.4.2 结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 生物质快速热解焦炭孔隙结构研究
• 4.1 焦炭孔隙结构的分析方法
• 4.2 焦炭试样制备及分析方法
• 4.2.1 焦炭试样制备
• 4.2.2 焦炭低温氮吸附法等温线测定及分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 吸附等温曲线形态分析
• 4.3.2 孔径分布与表面积分布
• 4.3.3 结构参数
• 4.3.4 焦炭表面结构的分形分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 热解动力学参数计算
• 5.1 热解动力学模型的建立
• 5.1.1 模型的基本假设
• 5.1.2 生物质快速热解动力学模型的建立
• 5.1.3 利用工业分析测量热解失重率
• 5.1.4 用一级反应动力学模型计算生物质热解动力学参数
• 5.2 模型的计算结果及验证
• 5.2.1 不同温度下稻壳热解理论计算值与实验值比较
• 5.2.2 相同温度下不同物料热解理论计算值与实验值比较
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢