【摘要】：農(nóng)作物秸稈從生產(chǎn)、收集、加工、運(yùn)輸?shù)侥茉蠢棉D(zhuǎn)化,秸稈廢棄物都會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生直接或間接的影響。針對(duì)該問題,將農(nóng)業(yè)廢棄物棉花秸稈轉(zhuǎn)化為綠色能源---生物炭,進(jìn)行分散式熱解炭化技術(shù)有效利用棉稈資源,不僅能變廢為寶,還能減少對(duì)環(huán)境的污染。通過綜述分析國(guó)內(nèi)外在廢棄生物質(zhì)原料熱解炭化方面開展的研究,提出將農(nóng)業(yè)廢棄物棉花秸稈采用分散式熱解炭化的模式,從炭化方式、炭化裝置和影響固體產(chǎn)物得率的因素方面進(jìn)行試驗(yàn)研究,達(dá)到生物質(zhì)秸稈資源的就地處理、經(jīng)濟(jì)利用的目的。本論文以農(nóng)作物秸稈棉花秸稈為對(duì)象,通過直接熱解炭化為技術(shù)路線,利用分散式熱解炭化爐,以固體產(chǎn)物生物質(zhì)炭為目標(biāo)產(chǎn)物,深入地研究直接熱解炭化的影響因素和目標(biāo)產(chǎn)物的性質(zhì),為生物質(zhì)資源的有效利用提供理論支撐。 得到以下研究工作： (1)研究棉稈的機(jī)械物理特性測(cè)試、元素分析和熱重動(dòng)力學(xué)分析�；谠系某煞趾蜔崾е氐年P(guān)系出發(fā),分析棉稈直接熱解固體產(chǎn)物得率的影響因素,并提出直接熱解棉稈合適的的參數(shù)范圍：最低溫度大于300℃、最高溫度小于600℃升溫速率小于30min/℃。 (2)分別在不同熱解裝置中對(duì)棉稈進(jìn)行熱解炭化試驗(yàn)研究,工藝參數(shù)選擇不同熱解溫度、不同保溫時(shí)間和不同升溫速率,獲得熱解前后的原料質(zhì)量變化及熱解參數(shù)與熱解產(chǎn)物的關(guān)系,經(jīng)分析得出：未經(jīng)粉碎的棉稈在熱解溫度400℃進(jìn)行熱解炭化后,生成的秸稈炭的比例最高。在棉稈熱解過程中,隨著反應(yīng)溫度的增加,熱解固體產(chǎn)物質(zhì)量不斷減小。通過正交試驗(yàn)得到了直接熱解最優(yōu)組合的熱解工藝參數(shù)為：熱解溫度400℃,升溫速率5℃/min,保溫時(shí)間2h。其得炭率可達(dá)49.98%。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法建立二次回歸數(shù)學(xué)模型,得到優(yōu)化工藝參數(shù),研究表明分散式炭化原料與燃燒原料質(zhì)量比2：1,得炭率達(dá)50%。 (3)利用ANSYS軟件研究生物質(zhì)熱解爐內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布,分別對(duì)熱解爐炭化室、燃燒室和添加傳熱片后炭化室內(nèi)溫度的變化進(jìn)行模擬。熱解爐內(nèi)由于氣體的流動(dòng),溫度分布是不均勻的、且溫度差異較大。為了滿足熱解所需溫度,必須要有足夠的保溫時(shí)間使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)置溫度,才能讓炭化原料充分炭化；為了保證原料的完全炭化,在熱解爐的設(shè)計(jì)中要盡量增大煙囪與炭化原料的接觸面積；通過對(duì)炭化室在500℃溫度場(chǎng)變化情況的分析,發(fā)現(xiàn)接近炭化室外壁和外側(cè)的溫度偏低,在改進(jìn)方面可以通過添加保溫層來解決。炭化爐的底部溫度偏低,可以通過添加傳熱片的方法,利用傳熱片良好的傳熱效果將熱量傳遞到底部和側(cè)面,盡量達(dá)到溫度場(chǎng)的均勻分布；將添加傳熱片先后炭化室內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行比較,可以看出添加傳熱片的效果很明顯,溫度死角明顯減少,提高了底部溫度和外側(cè)溫度。 (4)分析了不同熱解條件下的固體產(chǎn)物性質(zhì)。隨著熱解條件的改變,固體產(chǎn)物質(zhì)量分布比例和產(chǎn)物中各元素的比例都發(fā)生了變化。采用SEM、元素分析儀、紅外光譜儀等分析儀器對(duì)直接熱解炭化的固體產(chǎn)物理化結(jié)構(gòu)、固定炭含量等進(jìn)行分析。隨著熱解溫度的升高,固體產(chǎn)物中各元素含量都發(fā)生了變化。在500℃時(shí),棉稈炭中的固定炭含量最高。對(duì)棉稈熱解后的固體產(chǎn)物理化特性進(jìn)行研究得到,棉稈炭發(fā)熱量接近30MJ/Kg,含水率小于6%,灰分小于9%,揮發(fā)分小于30%,固定炭含量32%,堆積密度421Kg/m3,堆積角58.16。,摩擦系數(shù)0.45-0.60,流動(dòng)性指數(shù)69.1。棉稈炭不易于成型、不易流動(dòng)和發(fā)熱量較高。 (5)分散式熱解炭化爐應(yīng)用預(yù)測(cè)分析。從原料適應(yīng)性、能源轉(zhuǎn)化效率、分散熱解炭化與集中建廠炭化、秸稈壓縮利用的生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益方面,預(yù)測(cè)炭化爐的可應(yīng)用性。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),炭化爐不僅適用于棉稈,還可以普遍適用于大部分農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林廢棄物。預(yù)測(cè)分析以10000t/a炭化棉稈為例,比較炭化成本,表明分散就地炭化與集中建廠炭化、秸稈壓縮利用,分散炭化成本較低,利潤(rùn)較好。 生物質(zhì)熱解炭化過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,不僅與生物質(zhì)原料的種類、外界環(huán)境等有很大的影響,還與熱解工藝參數(shù)和實(shí)際熱解設(shè)備條件有關(guān)。本文對(duì)生物質(zhì)資源中的棉花秸稈展開熱解研究,通過試驗(yàn)和仿真分析,研究利用生物質(zhì)資源高效的熱解工藝和優(yōu)化。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TK6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2737908