农业秸秆烘焙与高质化应用耦合研究

【摘要】：生物质能以其数量巨大、环境友好等优点,其高质化应用也得到了广泛的关注。然而由于生物质自身的分散性大、水分高、能量密度低以及不易储存等缺点限制了其大规模工业化利用,而烘焙处理能有效的降低生物质的水分、提高生物质的能量密度。鉴于此,本文结合973项目“生物质转化为高品位燃料的基础问题研究”,对农业秸秆的烘焙特性、烘焙机理及其对生物质热解气化等的影响关联进行了系统的研究,这为生物质烘焙工艺的优化提供了重要的数据参考,对生物质高质化利用也有着重要的意义。 首先,选取多种典型的农业秸秆为样品,并结合生物质三组分,采用热重与红外联用分析仪从机理层面研究了秸秆生物质的烘焙特性及不同烘焙终温(200、230、260和290℃)对秸秆烘焙过程的影响,同时采用两步平行模型对农业秸秆的烘焙过程进行了热动力学分析。研究发现烘焙过程主要为秸秆的脱水干燥(200℃)、半纤维素的热解及少量木质素、纤维素的转化,而半纤维素热解较快,高温有利于生物质烘焙的进行,烘焙过程中的气体产物主要为H_2O、CO_2以及少量C=O、C-O-C含氧有机碳水化合物。 接着,采用固定床烘焙反应系统与激光粒度分析仪、傅里叶拉曼红外光谱分析仪、气相色谱与质谱联用仪以及比表面积分析仪等联用从宏观物理结构与微观化学组成相结合研究了生物质烘焙过程中产物的演变特性,探索了生物质的烘焙机制。研究发现烘焙后秸秆表观颜色进一步加深,逐渐由纤维状向球形发展,且更易脆,经研磨后颗粒更均匀,有利于其运输和利用;同时烘焙后秸秆中含氧量明显降低,而碳含量显著提高,热值也相应大幅度提升,而且烘焙后秸秆具有较好的表面孔隙结构,有利于其进一步热化学转化的进行;微观化学结构表明秸秆中含氧有机官能团数量明显减少,这对其热解气化产物的品质提升有着重要的作用。 最后,采用热解气化实验与化学动力学模拟相结合探讨了烘焙对秸秆的热解、气化等高质化利用过程的影响,以期寻求最佳的烘焙工艺系统。研究发现烘焙使得秸秆热解液化加快,热解油中水分和含氧碳氢化合物的含量明显减少,产物品质提高;气化过程中固定碳反应速率提高,产气中CO、CH4含量明显提高(30%),气体热值明显增加,同时烘焙后秸秆更易于着火燃烧,同时放热量也明显增大。 该研究表明生物质烘焙有利于其热解、气化和燃烧的快速进行以及产物品质的提高,对生物质的高质化、规模化利用有着重要的作用。 【关键词】：农业秸秆 烘焙 宏观物理结构 微观化学组成 高质化
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 生物质能源利用情况11-13
• 1.3 课题研究现状13-15
• 1.4 课题的提出及意义15-17
• 2 农业秸秆烘焙特性热分析17-27
• 2.1 实验样品和实验方法17-20
• 2.2 秸秆烘焙特性20-24
• 2.3 烘焙过程气体产物释放特性24-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 烘焙过程中秸秆物化结构演变特性研究27-49
• 3.1 实验样品和实验方法27-31
• 3.2 温度对秸秆烘焙的影响31-34
• 3.3 烘焙秸秆的物化结构演变特性34-41
• 3.4 停留时间对烘焙秸秆特性的影响41-45
• 3.5 烘焙过程的能量产出45-47
• 3.6 本章小结47-49
• 4 烘焙秸秆高质化转化特性研究49-61
• 4.1 实验样品与实验方法49-51
• 4.2 烘焙对秸秆热转化特性影响51-60
• 4.3 本章小结60-61
• 5 全文总结与展望61-64
• 5.1 本文主要工作及结论61-62
• 5.2 本文创新及特色62-63
• 5.3 下一步工作展望63-64
• 致谢64-66
• 参考文献66-72
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目72-73

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