干燥和烘焙预处理制备高品质生物质原料的基础研究
发布时间：2020-12-12 16:07
生物质资源总量巨大,但品质较低。生物质原料中过多的水分往往会延迟热解反应、增加供热成本和破坏热解液化产物的稳定性。此外,生物质还具有亲水性强、氧含量高、能量密度低、不易储存且产地分散等缺点,造成其在运输、储存以及作为能源利用的成本偏高,进而限制了生物质利用技术的进一步发展。基于此背景,本文开展了通过干燥和烘焙预处理制备高品质生物质热解原料的研究,系统分析了生物质干燥过程的传热传质机理,提出了测定有效水分扩散系数的简便方法,揭示了烘焙三种产物理化特性的变化规律,明确了干燥和烘焙预处理对生物质热解转化的影响。（1）生物质等温和非等温干燥的传热传质机理研究生物质干燥是一个复杂的传热传质过程。在等温条件下,生物质干燥过程可分为升速干燥段、第一降速干燥段和第二降速干燥段,水分与物料结合力的不同是导致出现不同干燥阶段的主要原因。提高干燥温度和减小颗粒粒径有助于提高干燥速率,降低最终含水量。干燥动力学分析表明,Midilli模型对秸秆等温干燥的模拟效果最好,而非等温Page模型能很好地模拟木屑、稻壳和棉花秆的非等温干燥过程。传热传质有紧密的内在联系,干燥热流由水分蒸发热流、未蒸发水分热容热流、干秸秆...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：178 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 我国能源形势
1.1.2 国外生物质资源利用现状
1.1.3 我国生物质发展现状
1.1.4 生物质热解利用
1.1.5 生物质干燥和烘焙预处理
1.2 国内外研究进展综述
1.2.1 固体干燥技术概述
1.2.2 生物质干燥机理
1.2.3 生物质干燥动力学
1.2.4 生物质烘焙产物的理化特性
1.2.5 烘焙对生物质热化学转化的影响
1.3 研究方案与技术路线
1.4 研究内容
参考文献
第2章 生物质等温干燥机理研究
2.1 引言
2.2 理论背景和数据分析
2.2.1 生物质水分的存在形式
2.2.2 含湿量的表示方法
2.2.3 干燥过程中的传热和传质
2.2.4 表面汽化控制和内部扩散控制
2.2.5 平衡含湿量
2.2.6 含湿比
2.3 基于烘箱干燥的生物质干燥特性研究
2.3.1 实验原料
2.3.2 实验条件
2.3.3 等温干燥曲线及分析
2.3.4 温度和初含水量对干燥速率的影响
2.3.5 颗粒粒径对干燥速率的影响
2.3.6 生物质组分对干燥过程的影响
2.4 基于热重分析的生物质干燥特性
2.4.1 实验原料
2.4.2 实验仪器和方法
2.4.3 水分传输特性
2.4.4 热量传输特性
2.5 生物质干燥动力学研究
2.5.1 干燥动力学起源
2.5.2 干燥模型的数学评价
2.5.3 秸秆干燥动力学分析
2.6 传热传质的数值模拟
2.6.1 热量传输的数值模拟
2.6.2 秸秆比热容测定
2.6.3 秸秆热流数值模拟
2.7 本章小结
参考文献
第3章 等温两步法测定有效水分扩散系数
3.1 引言
3.2 实验部分
3.3 干燥动力学分析
3.4 等温两步法的数学形式
3.5 结果与讨论
3.5.1 等温条件评价
3.5.2 水分传输特性
3.5.3 有效扩散系数和干燥活化能
3.5.4 干燥动力学分析
3.5.5 计算结果的评价
3.6 改进的等温两步法
3.6.1 实验部分
3.6.2 等温条件评价
3.6.3 内部扩散评价
3.6.4 对改进等温两步法的评价
3.7 本章小结
参考文献
第4章 生物质非等温干燥机理研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 实验原料
4.2.2 实验仪器和方法
4.3 热重曲线分析
4.4 非等温干燥动力学分析
4.4.1 计算方法
4.4.2 干燥活化能的物理意义
4.5 热质传输机理
4.5.1 水分传输分析
4.5.2 热量传输分析
4.6 传热传质的数值模拟
4.7 本章小结
参考文献
第5章 非等温一步法测定有效水分扩散系数
5.1 引言
5.2 实验部分
5.3 非等温一步法的数学形式
5.4 结果与讨论
5.5 本章小结
参考文献
第6章 干燥预处理对生物质热解影响的研究
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 原料
6.2.2 热解实验
6.2.3 组分和结构分析
6.3 基于热重分析的秸秆干燥前后热解特性研究
6.3.1 AS-8试样的热解特性
6.3.2 DS-1试样的热解特性
6.3.3 WS-16试样的热解特性
6.3.4 干燥对秸秆热解TG和DTG曲线的影响
6.3.5 干燥对生物质组成和结构的影响
6.3.6 热解动力学
6.4 干燥对稻壳热解特性和热解产物影响的研究
6.4.1 实验部分
6.4.2 小型热解装置
6.4.3 Py-GC/MS实验
6.4.4 干燥前后稻壳热解特性分析
6.4.5 干燥前后稻壳组分和结构的变化
6.4.6 热解反应动力学
6.4.7 小型装置热解产物的分析
6.4.8 稻壳快速热解产物的分析
6.5 本章小结
参考文献
第7章 生物质烘焙预处理改性提质研究
7.1 引言
7.2 实验部分
7.2.1 实验原料
7.2.2 烘焙实验方法
7.2.3 样品标号
7.2.4 实验重复性和可靠性
7.2.5 理化性质分析
7.3 烘焙对稻壳化学组成的影响
7.4 烘焙对稻壳组分含量的影响
7.5 烘焙对稻壳固体产率和能量产率的影响
7.6 烘焙对稻壳表面形貌和结构的影响
7.7 烘焙对稻壳研磨性能的影响
7.8 烘焙对稻壳疏水性的影响
7.9 本章小结
参考文献
第8章 稻壳烘焙过程机理的研究
8.1 引言
8.2 实验部分
8.2.1 实验原料
8.2.2 热重分析
8.2.3 红外光谱分析
8.2.4 热重-红外联用分析
8.2.5 气相色谱分析
8.2.6 液体产物GC-MS分析
8.3 基于组分分析的烘焙过程机理研究
8.4 基于产物分布的烘焙过程机理研究
8.4.1 烘焙固体产物的红外光谱分析
8.4.2 烘焙液体产物的成分分布
8.4.3 烘焙气体产物的成分分布
8.5 基于热红联用技术的烘焙过程机理研究
8.5.1 温度曲线
8.5.2 烘焙失重曲线
8.5.3 TG-FTIR分析
8.6 本章小结
参考文献
第9章 烘焙对稻壳热解液化影响的研究
9.1 引言
9.2 实验部分
9.2.1 实验原料
9.2.2 TG-FTIR实验
9.2.3 Py-GC/MS实验
9.2.4 小型装置上的热解实验
9.3 基于TG-FTTR的烘焙对稻壳热解影响的研究
9.3.1 烘焙固体产物的热解特性
9.3.2 热解气态产物的生成特性
9.4 基于小型热解装置的热解液体产物分析
9.5 基于Py-GC/MS的热解液体产物分析
9.6 “烘焙-热解”两段式流程图
9.7 本章小结
参考文献
总结与展望
1 工作总结
2 本文的创新点
3 工作展望
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]烘培对典型农业秸秆吸水性能的影响[J]. 郝宏蒙,杨海平,刘汝杰,陈应泉,李攀,陈汉平. 中国电机工程学报. 2013(08)
[2]生物质气化技术的再认识[J]. 张齐生,马中青,周建斌. 南京林业大学学报(自然科学版). 2013(01)
[3]农业秸秆烘焙特性及对其产物能源特性的影响[J]. 陈应泉,杨海平,朱波,郝宏蒙,王贤华,陈汉平. 农业机械学报. 2012(04)
[4]燃煤/秸秆成型燃料层燃混烧试验研究[J]. 刘联胜,苟湘,陆俊,高彦华,贺长浩. 中国电机工程学报. 2012(08)
[5]秸秆等温干燥热质传输机理研究(Ⅱ)——动力学数值模拟[J]. 陈登宇,张栋,朱锡锋. 太阳能学报. 2011(10)
[6]秸秆等温干燥热质传输机理研究(Ⅰ)——TG/DSC实验分析[J]. 陈登宇,张栋,朱锡锋. 太阳能学报. 2011(09)
[7]生物质热反应机理与活化能确定方法Ⅱ.热解段研究[J]. 陈登宇,朱锡锋. 燃料化学学报. 2011(09)
[8]生物质热反应机理与活化能确定方法Ⅰ.干燥段研究[J]. 陈登宇,朱锡锋. 燃料化学学报. 2011(08)
[9]Influence of torrefaction pretreatment on biomass gasification technology[J]. CHEN Qing,ZHOU JinSong,LIU BingJun,MEI QinFeng & LUO ZhongYang State Key Laboratory of Clean Energy Utilization,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China. Chinese Science Bulletin. 2011(14)
[10]烘焙预处理对生物质气化工艺的影响[J]. 陈青,周劲松,刘炳俊,梅勤峰,骆仲泱. 科学通报. 2010(36)
博士论文
[1]生物质热解油雾化燃烧及气化的实验研究与数值模拟[D]. 张栋.中国科学技术大学 2012
[2]热解稻壳炭基多孔材料的制备、表征及应用基础[D]. 李大伟.中国科学技术大学 2011
[3]生物油的烯烃改性精制及应用基础研究[D]. 杨续来.中国科学技术大学 2010
[4]生物质选择性热解液化的研究[D]. 陆强.中国科学技术大学 2010
[5]生物质高温气流床气化制取合成气的机理试验研究[D]. 赵辉.浙江大学 2007
[6]秸秆干燥过程的实验研究与理论分析[D]. 雷廷宙.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]用于混合气化的生物质烘焙预处理的实验研究[D]. 王贵军.上海交通大学 2010
[2]农业秸秆烘焙与高质化应用耦合研究[D]. 朱波.华中科技大学 2011
本文编号：2912879
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：178 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 我国能源形势
1.1.2 国外生物质资源利用现状
1.1.3 我国生物质发展现状
1.1.4 生物质热解利用
1.1.5 生物质干燥和烘焙预处理
1.2 国内外研究进展综述
1.2.1 固体干燥技术概述
1.2.2 生物质干燥机理
1.2.3 生物质干燥动力学
1.2.4 生物质烘焙产物的理化特性
1.2.5 烘焙对生物质热化学转化的影响
1.3 研究方案与技术路线
1.4 研究内容
参考文献
第2章 生物质等温干燥机理研究
2.1 引言
2.2 理论背景和数据分析
2.2.1 生物质水分的存在形式
2.2.2 含湿量的表示方法
2.2.3 干燥过程中的传热和传质
2.2.4 表面汽化控制和内部扩散控制
2.2.5 平衡含湿量
2.2.6 含湿比
2.3 基于烘箱干燥的生物质干燥特性研究
2.3.1 实验原料
2.3.2 实验条件
2.3.3 等温干燥曲线及分析
2.3.4 温度和初含水量对干燥速率的影响
2.3.5 颗粒粒径对干燥速率的影响
2.3.6 生物质组分对干燥过程的影响
2.4 基于热重分析的生物质干燥特性
2.4.1 实验原料
2.4.2 实验仪器和方法
2.4.3 水分传输特性
2.4.4 热量传输特性
2.5 生物质干燥动力学研究
2.5.1 干燥动力学起源
2.5.2 干燥模型的数学评价
2.5.3 秸秆干燥动力学分析
2.6 传热传质的数值模拟
2.6.1 热量传输的数值模拟
2.6.2 秸秆比热容测定
2.6.3 秸秆热流数值模拟
2.7 本章小结
参考文献
第3章 等温两步法测定有效水分扩散系数
3.1 引言
3.2 实验部分
3.3 干燥动力学分析
3.4 等温两步法的数学形式
3.5 结果与讨论
3.5.1 等温条件评价
3.5.2 水分传输特性
3.5.3 有效扩散系数和干燥活化能
3.5.4 干燥动力学分析
3.5.5 计算结果的评价
3.6 改进的等温两步法
3.6.1 实验部分
3.6.2 等温条件评价
3.6.3 内部扩散评价
3.6.4 对改进等温两步法的评价
3.7 本章小结
参考文献
第4章 生物质非等温干燥机理研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 实验原料
4.2.2 实验仪器和方法
4.3 热重曲线分析
4.4 非等温干燥动力学分析
4.4.1 计算方法
4.4.2 干燥活化能的物理意义
4.5 热质传输机理
4.5.1 水分传输分析
4.5.2 热量传输分析
4.6 传热传质的数值模拟
4.7 本章小结
参考文献
第5章 非等温一步法测定有效水分扩散系数
5.1 引言
5.2 实验部分
5.3 非等温一步法的数学形式
5.4 结果与讨论
5.5 本章小结
参考文献
第6章 干燥预处理对生物质热解影响的研究
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 原料
6.2.2 热解实验
6.2.3 组分和结构分析
6.3 基于热重分析的秸秆干燥前后热解特性研究
6.3.1 AS-8试样的热解特性
6.3.2 DS-1试样的热解特性
6.3.3 WS-16试样的热解特性
6.3.4 干燥对秸秆热解TG和DTG曲线的影响
6.3.5 干燥对生物质组成和结构的影响
6.3.6 热解动力学
6.4 干燥对稻壳热解特性和热解产物影响的研究
6.4.1 实验部分
6.4.2 小型热解装置
6.4.3 Py-GC/MS实验
6.4.4 干燥前后稻壳热解特性分析
6.4.5 干燥前后稻壳组分和结构的变化
6.4.6 热解反应动力学
6.4.7 小型装置热解产物的分析
6.4.8 稻壳快速热解产物的分析
6.5 本章小结
参考文献
第7章 生物质烘焙预处理改性提质研究
7.1 引言
7.2 实验部分
7.2.1 实验原料
7.2.2 烘焙实验方法
7.2.3 样品标号
7.2.4 实验重复性和可靠性
7.2.5 理化性质分析
7.3 烘焙对稻壳化学组成的影响
7.4 烘焙对稻壳组分含量的影响
7.5 烘焙对稻壳固体产率和能量产率的影响
7.6 烘焙对稻壳表面形貌和结构的影响
7.7 烘焙对稻壳研磨性能的影响
7.8 烘焙对稻壳疏水性的影响
7.9 本章小结
参考文献
第8章 稻壳烘焙过程机理的研究
8.1 引言
8.2 实验部分
8.2.1 实验原料
8.2.2 热重分析
8.2.3 红外光谱分析
8.2.4 热重-红外联用分析
8.2.5 气相色谱分析
8.2.6 液体产物GC-MS分析
8.3 基于组分分析的烘焙过程机理研究
8.4 基于产物分布的烘焙过程机理研究
8.4.1 烘焙固体产物的红外光谱分析
8.4.2 烘焙液体产物的成分分布
8.4.3 烘焙气体产物的成分分布
8.5 基于热红联用技术的烘焙过程机理研究
8.5.1 温度曲线
8.5.2 烘焙失重曲线
8.5.3 TG-FTIR分析
8.6 本章小结
参考文献
第9章 烘焙对稻壳热解液化影响的研究
9.1 引言
9.2 实验部分
9.2.1 实验原料
9.2.2 TG-FTIR实验
9.2.3 Py-GC/MS实验
9.2.4 小型装置上的热解实验
9.3 基于TG-FTTR的烘焙对稻壳热解影响的研究
9.3.1 烘焙固体产物的热解特性
9.3.2 热解气态产物的生成特性
9.4 基于小型热解装置的热解液体产物分析
9.5 基于Py-GC/MS的热解液体产物分析
9.6 “烘焙-热解”两段式流程图
9.7 本章小结
参考文献
总结与展望
1 工作总结
2 本文的创新点
3 工作展望
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]烘培对典型农业秸秆吸水性能的影响[J]. 郝宏蒙,杨海平,刘汝杰,陈应泉,李攀,陈汉平. 中国电机工程学报. 2013(08)
[2]生物质气化技术的再认识[J]. 张齐生,马中青,周建斌. 南京林业大学学报(自然科学版). 2013(01)
[3]农业秸秆烘焙特性及对其产物能源特性的影响[J]. 陈应泉,杨海平,朱波,郝宏蒙,王贤华,陈汉平. 农业机械学报. 2012(04)
[4]燃煤/秸秆成型燃料层燃混烧试验研究[J]. 刘联胜,苟湘,陆俊,高彦华,贺长浩. 中国电机工程学报. 2012(08)
[5]秸秆等温干燥热质传输机理研究(Ⅱ)——动力学数值模拟[J]. 陈登宇,张栋,朱锡锋. 太阳能学报. 2011(10)
[6]秸秆等温干燥热质传输机理研究(Ⅰ)——TG/DSC实验分析[J]. 陈登宇,张栋,朱锡锋. 太阳能学报. 2011(09)
[7]生物质热反应机理与活化能确定方法Ⅱ.热解段研究[J]. 陈登宇,朱锡锋. 燃料化学学报. 2011(09)
[8]生物质热反应机理与活化能确定方法Ⅰ.干燥段研究[J]. 陈登宇,朱锡锋. 燃料化学学报. 2011(08)
[9]Influence of torrefaction pretreatment on biomass gasification technology[J]. CHEN Qing,ZHOU JinSong,LIU BingJun,MEI QinFeng & LUO ZhongYang State Key Laboratory of Clean Energy Utilization,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China. Chinese Science Bulletin. 2011(14)
[10]烘焙预处理对生物质气化工艺的影响[J]. 陈青,周劲松,刘炳俊,梅勤峰,骆仲泱. 科学通报. 2010(36)
博士论文
[1]生物质热解油雾化燃烧及气化的实验研究与数值模拟[D]. 张栋.中国科学技术大学 2012
[2]热解稻壳炭基多孔材料的制备、表征及应用基础[D]. 李大伟.中国科学技术大学 2011
[3]生物油的烯烃改性精制及应用基础研究[D]. 杨续来.中国科学技术大学 2010
[4]生物质选择性热解液化的研究[D]. 陆强.中国科学技术大学 2010
[5]生物质高温气流床气化制取合成气的机理试验研究[D]. 赵辉.浙江大学 2007
[6]秸秆干燥过程的实验研究与理论分析[D]. 雷廷宙.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]用于混合气化的生物质烘焙预处理的实验研究[D]. 王贵军.上海交通大学 2010
[2]农业秸秆烘焙与高质化应用耦合研究[D]. 朱波.华中科技大学 2011
本文编号：2912879
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