【摘要】： 全球能源緊張以及化石能源使用對環(huán)境的負(fù)面影響推動(dòng)可再生能源的飛速發(fā)展。生物質(zhì)能源儲(chǔ)量大、可再生以及使用過程中溫室氣體零排放等優(yōu)點(diǎn)，使得全球?qū)ζ溲芯块_發(fā)力度逐漸加強(qiáng)，現(xiàn)已成為僅次于石油、煤炭和天然氣的第四大能源。發(fā)展和利用生物質(zhì)能，對于我國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。生物質(zhì)利用技術(shù)主要包括直接燃燒、生化、壓縮成型和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化等。畜禽養(yǎng)殖廢棄物是生物質(zhì)能的特殊形式，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的污染物之一，對其資源化轉(zhuǎn)化利用具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)雙重效益。 本文在結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，針對畜禽糞便展開熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)研究，通過對幾種畜禽糞便的物理化學(xué)屬性、熱解特性、熱解機(jī)理、熱解動(dòng)力學(xué)的研究，設(shè)計(jì)了一套流化床試驗(yàn)裝置，并對豬糞展開了空氣氣化試驗(yàn)�？傮w研究結(jié)論歸納如下。 (1)針對豬、牛、雞和羊四種畜禽糞便的工業(yè)和化學(xué)分析，結(jié)合元素和熱值分析以及其它項(xiàng)目分析來考察他們熱化學(xué)轉(zhuǎn)換的可行性。 研究結(jié)果表明畜禽糞便在化學(xué)組成、灰分和堿金屬含量等方面和農(nóng)作物秸稈有很大差異，具體包括畜禽糞便的纖維素類物質(zhì)含量偏低，而小分子中性洗滌劑溶解物含量偏高；灰分和堿金屬、氮元素含量偏高；在熱值方面則顯示具有熱化學(xué)轉(zhuǎn)換潛力。這些不同特性要求在對畜禽糞便進(jìn)行熱化學(xué)轉(zhuǎn)換研究時(shí)要區(qū)別對待。 從熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生化轉(zhuǎn)化的原理出發(fā)，理論分析了各自的能量轉(zhuǎn)化效率。分別選擇空氣氣化和厭氧發(fā)酵兩個(gè)轉(zhuǎn)化過程，通過建立化學(xué)平衡方程式，理論推導(dǎo)出各自燃?xì)饽芰慨a(chǎn)出和能量轉(zhuǎn)換效率，得出熱化學(xué)處理方法較厭氧發(fā)酵過程在能量轉(zhuǎn)化方面更徹底，更有優(yōu)勢。 (2)利用熱重-傅立葉紅外光譜聯(lián)用技術(shù)，對畜禽糞便的熱解特性展開研究。 研究結(jié)果表明畜禽糞便的熱解過程可分為脫水、主要熱解和炭化三個(gè)階段。幾種樣品在各自熱解最終殘留物、微商熱重曲線所體現(xiàn)的失重速率和特征峰等方面有差異性。 逸出氣體紅外分析顯示，其析出氣體主要有H_2O、CO_2、CO、H_2、CH_4、醛、羧酸等。對紅外波譜的分析發(fā)現(xiàn)每種氣體的析出特性都有不同，其中水份的析出曲線呈雙峰特性，分別對應(yīng)于失去游離水和化合結(jié)晶水過程；CO和CO_2析出呈現(xiàn)明顯雙峰特性，分別對應(yīng)于主要熱解階段和炭化階段；區(qū)別是CO_2炭化階段析出強(qiáng)度很弱；甲烷析出呈現(xiàn)單峰特性，對應(yīng)于主要熱解階段末期和炭化階段初期；其它碳?xì)浠衔锍尸F(xiàn)單峰特性，對應(yīng)于主要熱解階段。 試驗(yàn)還考察了升溫速率對豬糞熱解過程和氣體析出特性的影響，結(jié)果表明升溫速率對失重過程的影響主要體現(xiàn)在失重速率上，對氣體析出影響主要體現(xiàn)在能使各氣體逸出峰向高溫區(qū)移動(dòng)。 (3)采用熱分析動(dòng)力學(xué)的研究方法，利用熱重試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，對幾種樣品的熱解過程通過建模和模型的求解，分別獲得了各自的機(jī)理函數(shù)、表觀活化能和頻率因子，從而獲得分解速率(α)對應(yīng)于溫度(T)的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)轉(zhuǎn)化過程的模擬和控制提供數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 研究結(jié)果表明四種樣品表觀活化能的平均值分別是：豬糞72．89kJ／mol、牛糞75．38kJ／mol、羊糞50．83 kJ／mol、雞糞74．76 kJ／mol，較一些秸稈類物質(zhì)要低，說明畜禽糞便更容易受熱分解。研究發(fā)現(xiàn)采用單組分全局積分模型能很好的表達(dá)豬糞的熱解過程，而采用單組分分階段模型計(jì)算具有雙峰特征的牛糞、雞糞及羊糞有很好的適用性。 (4)設(shè)計(jì)加工了一套氣化負(fù)荷在1-5kg／h的流化床反應(yīng)器。 整套裝置主要包括主反應(yīng)管、螺旋進(jìn)料裝置、旋風(fēng)分離裝置、冷凝裝置、過濾裝置、加熱及控制裝置和其它管路等。在主反應(yīng)管設(shè)計(jì)方面同時(shí)兼顧了其它熱化學(xué)工藝要求。螺旋進(jìn)料裝置考慮到了細(xì)粉物料的流動(dòng)特性，設(shè)置了氣力輸送位置。采取套管水冷方式，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)夂屠鋮s水分離。加熱元件為三個(gè)4kw加熱絲，單獨(dú)控制，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)加熱功率。設(shè)備和蒸汽發(fā)生器及蒸汽加熱器聯(lián)結(jié)即可以進(jìn)行生物質(zhì)的空氣+水蒸汽氣化或水蒸汽氣化。整套裝置各部件間采取法蘭連接，容易拆卸，易于設(shè)備的改進(jìn)。 (5)對整套試驗(yàn)裝置進(jìn)行了冷態(tài)啟動(dòng)和熱態(tài)空床試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果表明螺旋進(jìn)料器的出料量可由調(diào)頻器來線性控制，調(diào)頻器輸出頻率和螺旋進(jìn)料器的出料量線性相關(guān)性在0．9以上，能滿足試驗(yàn)精度要求。在冷態(tài)條件下進(jìn)行反應(yīng)器的流速和壓降試驗(yàn)，從△p-v曲線上獲得粒徑為0．2-0．5mm的石英沙的臨界流化速度為0．035m／s，進(jìn)而可以確定反應(yīng)器的操作流化速度。試驗(yàn)流化曲線顯示在流化區(qū)內(nèi)床層壓降變化幅度比較小，能滿足試驗(yàn)流化要求。對反應(yīng)器的加熱元件和控制元件在空床狀態(tài)下進(jìn)行了啟動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果顯示反應(yīng)器加熱和控制元件能在較短的時(shí)間內(nèi)使反應(yīng)器內(nèi)溫度升到試驗(yàn)要求。 (6)對豬糞的空氣氣化過程展開了試驗(yàn)研究，考察了原料粒徑、當(dāng)量比和起始溫度三個(gè)主要操作參數(shù)對反應(yīng)器內(nèi)溫度場、產(chǎn)物分布、固體產(chǎn)物特性、氣體產(chǎn)物成分、所產(chǎn)燃?xì)獾臒嶂�、碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率等方面的影響作用，為課題下步試驗(yàn)提供參考的操作條件。 試驗(yàn)結(jié)果表明粒徑對反應(yīng)器內(nèi)的溫度場沒有顯著影響，對產(chǎn)物分布有影響作用，產(chǎn)氣最佳粒徑為0．5mm，粒徑對其它氣化指標(biāo)的影響也顯示豬糞空氣氣化的最佳粒徑為0．5mm。 當(dāng)量比ER對氣化過程的影響具有利弊雙面性，影響規(guī)律比較復(fù)雜，ER改變直接影響到反應(yīng)器內(nèi)溫度場的變化和氣固停留時(shí)間。ER=0．15有利于氣體產(chǎn)物生成，結(jié)合其它氣化指標(biāo)，，豬糞空氣氣化最佳ER為0．15。 起始溫度越高越有利于氣體產(chǎn)物的生成，但從經(jīng)濟(jì)性和其它氣化指標(biāo)綜合考慮，對于豬糞的空氣氣化300℃完全可以滿足對燃?xì)獾氖褂靡蟆?通過以上試驗(yàn)總結(jié)出豬糞空氣氣化的建議操作條件為：粒徑0．5mm，ER=0．15，起始溫度300℃。 作為課題的基礎(chǔ)性研究部分，作者在總結(jié)本身研究不足之處的同時(shí)，從熱解機(jī)理、設(shè)備開發(fā)、氣化工藝等方面為后續(xù)研究提出了建議和展望。
【圖文】：

本文編號(hào)：2635810