【摘要】：開發(fā)高效的生物質(zhì)預(yù)處理設(shè)備和后續(xù)能源化利用系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其向綠色低碳能源和化學(xué)品轉(zhuǎn)化的重要保障。生物質(zhì)原料的低品質(zhì),限制了其低成本大規(guī)模應(yīng)用,也會導(dǎo)致后續(xù)利用過程和設(shè)備運(yùn)行的低效性。烘焙(也稱輕度熱解)技術(shù)能夠較大程度地提高其燃料品質(zhì),使其便于運(yùn)輸、倉儲和后續(xù)的多樣化應(yīng)用。烘焙動力學(xué)特性是烘焙反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行重要基礎(chǔ)。此外,烘焙生物質(zhì)的后續(xù)應(yīng)用也是實(shí)現(xiàn)其高效利用重要保障。因此,系統(tǒng)地揭示生物質(zhì)和污泥烘焙動力學(xué)機(jī)理和開發(fā)烘焙生物質(zhì)的利用技術(shù)是至關(guān)重要的�；诖吮尘�,本課題將全面地研究生物質(zhì)和污泥變溫/等溫烘焙動力學(xué)機(jī)理,并探索烘焙生物質(zhì)高效利用的新途徑,為“全鏈條”式的生物質(zhì)預(yù)處理和再利用提供必要的技術(shù)支持。本研究主要內(nèi)容包括:變溫烘焙動力學(xué)研究、定溫烘焙動力學(xué)研究、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評估生物質(zhì)烘焙動力學(xué)參數(shù)和烘焙生物質(zhì)與污泥聯(lián)合氣化特性�；趶�(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)理論和熱重實(shí)驗(yàn),研究了生物質(zhì)的變溫和等溫烘焙動力學(xué)特性。木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)(棉花秸稈和桉樹皮)和非木質(zhì)纖維素生物質(zhì)(污泥)均經(jīng)歷脫水、共存和脫揮發(fā)分三個階段,綜合考慮質(zhì)量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率,重點(diǎn)確定了污泥的有效烘焙溫度區(qū)間。從動力學(xué)模型角度,基于Friedman方程發(fā)展了微分形式的Model-free分布式活化能模型;運(yùn)用參數(shù)研究法,揭示了 Model-fitting分布式活化能模型中參數(shù)的相互作用,明確了平均活化能和指前因子存在相互補(bǔ)償作用,而活化能標(biāo)準(zhǔn)偏差獨(dú)立于平均活化能和指前因子。進(jìn)一步結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,提出了一套先進(jìn)的動力學(xué)參數(shù)評估方案,該方案能夠同時保證模型的預(yù)測能力和獲得真實(shí)的動力學(xué)參數(shù),并將該方法成功地應(yīng)用到生物質(zhì)烘焙動力學(xué)中。在等溫烘焙動力學(xué)方面,基于多步反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理開發(fā)了一個新的等溫動力學(xué)模型,該模型不僅能夠很好地預(yù)測烘焙反應(yīng)過程,還可以預(yù)測反應(yīng)的最終轉(zhuǎn)化率。為了揭示烘焙反應(yīng)過程隨烘焙溫度的敏感性,提出了反應(yīng)程度指數(shù)的概念,并運(yùn)用該指數(shù)識別出木質(zhì)纖維素生物質(zhì)在高烘焙溫度和長烘焙時間下反應(yīng)進(jìn)程受溫度影響較大,而污泥在低烘焙溫度下受溫度影響較大。此外,將廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于同時確定熱誘導(dǎo)固態(tài)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)(活化能和指前因子)和機(jī)理模型識別中。將非定量化的機(jī)理模型轉(zhuǎn)化為5階0-1編碼,并與活化能和指前因子共同作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出數(shù)據(jù)。不同轉(zhuǎn)化率對應(yīng)的反應(yīng)溫度為輸入數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),使用不少于3個升溫速率的變溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就可獲得較準(zhǔn)確的活化能、指數(shù)因子和機(jī)理模型,并運(yùn)用方法較好地預(yù)測了生物質(zhì)變溫烘焙動力學(xué)參數(shù)和機(jī)理模型�？紤]到烘焙生物質(zhì)和濕污泥聯(lián)合蒸汽氣化具有內(nèi)在協(xié)同作用,提出了污泥與烘焙生物質(zhì)共蒸汽氣化制備富氫合成氣的方案,并運(yùn)用熱力學(xué)平衡模型,從理論上探究了烘焙程度、產(chǎn)物比例和氣化溫度對理論碳析出邊界、碳轉(zhuǎn)化率、干合成氣組分和氫氣產(chǎn)量的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)了當(dāng)氣化溫度大于900K時,烘焙程度對最大氫氣產(chǎn)率影響不大,但最大氫氣產(chǎn)率所對應(yīng)的污泥摻混比例變大。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度,提出了烘焙生物質(zhì)和污泥自供熱式干燥-氣化系統(tǒng),建立了系統(tǒng)的理論模型,并分析了系統(tǒng)的能量平衡、(?)損和(?)經(jīng)濟(jì)性。整個系統(tǒng)的(?)損主要發(fā)生在干燥器、氣化爐和燃燒爐中。隨著氣化溫度的增加,各組件的燃料(輸入)流和產(chǎn)物(輸出)流的單位(?)成本均有所增加。此外,提出了基于能量品質(zhì)的擴(kuò)展(?)成本分配方法,該方法能夠應(yīng)用于物理(?)和化學(xué)(?)的耦合利用過程。利用該方法成功地計(jì)算得到了高溫合成氣梯級利用的單位(?)成本,且滿足高品質(zhì)高價(jià)的原則。本文的研究結(jié)果不僅可以為生物質(zhì)烘焙反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化以及烘焙生物質(zhì)氣化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和可行方案,也為復(fù)雜固態(tài)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)發(fā)展提供理論支撐。
【圖文】：

質(zhì)量損失約為３０％，能量損失為１０％，從而使產(chǎn)品能量密度（單位體積內(nèi)包含的逡逑高位熱值）提高。Ｃｈｅｎ等［５］總結(jié)了生物質(zhì)在烘焙前后物理化學(xué)性質(zhì)變化情況，如逡逑圖１＿２。經(jīng)烘焙預(yù)處理后生物質(zhì)作為熱解和氣化等資源化再利用的原料表現(xiàn)出一定逡逑的優(yōu)勢，因?yàn)楹姹焊牧寄芎筇岣呱镔|(zhì)氣化過程合成氣的產(chǎn)量［２２］，且烘焙溫度越逡逑高，生物質(zhì)氣化后的合成氣產(chǎn)量越大，且氣化過程表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和較高的逡逑氣化效率，生成更高熱值的合成氣［１４］。隨著烘焙溫度的升高，熱解過程的生物炭逡逑的產(chǎn)量急劇增大，而生物油的產(chǎn)量下降，提高了邋Ｈ２和ＣＨ４的產(chǎn)量［２１］。Ｒｅｎ等［２３］逡逑發(fā)現(xiàn)烘焙預(yù)處理松木屑能夠提高熱解產(chǎn)物中生成氣的品質(zhì)，即提高了合成氣中Ｈ２、逡逑ＣＨ４和ＣＯ的生成量，，降低了邋Ｃ０２生成量。２１＾噸等［２４］發(fā)現(xiàn)烘焙預(yù)處理能夠提高玉逡逑米芯熱解油的品質(zhì)。Ｙａｎｇ等［２５］研究表明，烘焙預(yù)處理提高了柳樹枝的能量密度和逡逑產(chǎn)物中糖類和酚類的含量。逡逑可見

本與能量品質(zhì)之間有很好的相關(guān)性。ＥＣＡＥＬ己經(jīng)應(yīng)用于一些多產(chǎn)品系統(tǒng)，包括冷、逡逑熱和電聯(lián)產(chǎn)（ＣＣＨＰ）系統(tǒng)［１％］和生物質(zhì)－蒸汽氣化聯(lián)合熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)［１１１，１１２］。逡逑然而，所發(fā)展的ＥＣＡＥＬ方法僅適用于多產(chǎn)物系統(tǒng)中能量的梯級利用，如圖１－３逡逑所示。不難看出，該方法僅考慮了煙氣的物理uQ圖１－３邋（ａ），事實(shí)上，現(xiàn)有的ＥＣＡＥＬ逡逑方法不能涵蓋高溫燃料流（如高溫合成氣）的梯級利用過程１－３邋（ｂ），主要是因?yàn)殄义显诖诉^程中物理煙和化學(xué)uQ是同時被消耗的。目前，用于耦合物理uQ和化學(xué)uQ的逡逑能流梯級利用的一種有效的uQ成本分配方法還沒有被報(bào)道。逡逑１３逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X70;O643.12

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 陳登宇;干燥和烘焙預(yù)處理制備高品質(zhì)生物質(zhì)原料的基礎(chǔ)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

本文編號：2707072