棉秆直接热解炭化工艺参数试验研究

发布时间：2020-07-02 07:23

【摘要】：农作物秸秆从生产、收集、加工、运输到能源利用转化,秸秆废弃物都会对生态环境产生直接或间接的影响。针对该问题,将农业废弃物棉花秸秆转化为绿色能源---生物炭,进行分散式热解炭化技术有效利用棉秆资源,不仅能变废为宝,还能减少对环境的污染。通过综述分析国内外在废弃生物质原料热解炭化方面开展的研究,提出将农业废弃物棉花秸秆采用分散式热解炭化的模式,从炭化方式、炭化装置和影响固体产物得率的因素方面进行试验研究,达到生物质秸秆资源的就地处理、经济利用的目的。本论文以农作物秸秆棉花秸秆为对象,通过直接热解炭化为技术路线,利用分散式热解炭化炉,以固体产物生物质炭为目标产物,深入地研究直接热解炭化的影响因素和目标产物的性质,为生物质资源的有效利用提供理论支撑。得到以下研究工作： (1)研究棉秆的机械物理特性测试、元素分析和热重动力学分析。基于原料的成分和热失重的关系出发,分析棉秆直接热解固体产物得率的影响因素,并提出直接热解棉秆合适的的参数范围：最低温度大于300℃、最高温度小于600℃升温速率小于30min/℃。 (2)分别在不同热解装置中对棉秆进行热解炭化试验研究,工艺参数选择不同热解温度、不同保温时间和不同升温速率,获得热解前后的原料质量变化及热解参数与热解产物的关系,经分析得出：未经粉碎的棉秆在热解温度400℃进行热解炭化后,生成的秸秆炭的比例最高。在棉秆热解过程中,随着反应温度的增加,热解固体产物质量不断减小。通过正交试验得到了直接热解最优组合的热解工艺参数为：热解温度400℃,升温速率5℃/min,保温时间2h。其得炭率可达49.98%。在单因素试验的基础上,采用Box-Benhnken试验设计和响应面分析法建立二次回归数学模型,得到优化工艺参数,研究表明分散式炭化原料与燃烧原料质量比2：1,得炭率达50%。 (3)利用ANSYS软件研究生物质热解炉内部温度场的分布,分别对热解炉炭化室、燃烧室和添加传热片后炭化室内温度的变化进行模拟。热解炉内由于气体的流动,温度分布是不均匀的、且温度差异较大。为了满足热解所需温度,必须要有足够的保温时间使炉内温度达到设置温度,才能让炭化原料充分炭化；为了保证原料的完全炭化,在热解炉的设计中要尽量增大烟囱与炭化原料的接触面积；通过对炭化室在500℃温度场变化情况的分析,发现接近炭化室外壁和外侧的温度偏低,在改进方面可以通过添加保温层来解决。炭化炉的底部温度偏低,可以通过添加传热片的方法,利用传热片良好的传热效果将热量传递到底部和侧面,尽量达到温度场的均匀分布；将添加传热片先后炭化室内温度场进行比较,可以看出添加传热片的效果很明显,温度死角明显减少,提高了底部温度和外侧温度。 (4)分析了不同热解条件下的固体产物性质。随着热解条件的改变,固体产物质量分布比例和产物中各元素的比例都发生了变化。采用SEM、元素分析仪、红外光谱仪等分析仪器对直接热解炭化的固体产物理化结构、固定炭含量等进行分析。随着热解温度的升高,固体产物中各元素含量都发生了变化。在500℃时,棉秆炭中的固定炭含量最高。对棉秆热解后的固体产物理化特性进行研究得到,棉秆炭发热量接近30MJ/Kg,含水率小于6%,灰分小于9%,挥发分小于30%,固定炭含量32%,堆积密度421Kg/m3,堆积角58.16。,摩擦系数0.45-0.60,流动性指数69.1。棉秆炭不易于成型、不易流动和发热量较高。 (5)分散式热解炭化炉应用预测分析。从原料适应性、能源转化效率、分散热解炭化与集中建厂炭化、秸秆压缩利用的生产成本和经济效益方面,预测炭化炉的可应用性。通过试验发现,炭化炉不仅适用于棉秆,还可以普遍适用于大部分农作物秸秆和农林废弃物。预测分析以10000t/a炭化棉秆为例,比较炭化成本,表明分散就地炭化与集中建厂炭化、秸秆压缩利用,分散炭化成本较低,利润较好。生物质热解炭化过程是一个非常复杂的过程,不仅与生物质原料的种类、外界环境等有很大的影响,还与热解工艺参数和实际热解设备条件有关。本文对生物质资源中的棉花秸秆展开热解研究,通过试验和仿真分析,研究利用生物质资源高效的热解工艺和优化。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK6

【参考文献】