基于能量产率的油茶壳水热炭化工艺优化

文章以油茶壳为原料,采用水热炭化技术制备水热生物炭,并分析了水热炭化温度、保留时间、固体物含量对水热生物炭的高位热值和能量产率的影响。以此为基础,采用正交试验优化了上述3个工艺条件对油茶壳水热生物炭的影响。研究结果表明:水热炭化温度为200℃,保留时间为30 min,反应体系中固体物含量为10%时,油茶壳水热生物炭的综合评分最好;此时油茶壳水热生物炭的高位热值为22.28 MJ/kg,能量产率为75.07%。燃烧热重分析表明,油茶壳水热生物炭的燃烧过程向高温区转移。研究结果可用于指导生产高热值、高能量产率的油茶壳水热生物炭,可为油茶壳的利用提供参考。     

基于能量产率的玉米秸秆成型颗粒炭化工艺优化

以产率、热值及能量产率为评价指标,对影响玉米秸秆成型颗粒炭化工艺的炭化温度、升温速率、保留时间进行分析。在此条件下,生物质炭产率与热值呈负相关,即产率与热值目标无法同时满足。研究引入能量产率作为评价成型生物质炭产率和热值的综合指标,在单因素试验的基础上,采用响应面试验进行优化,并对最优结果进行验证。结果表明,炭化温度432℃、升温速率4.0℃/min、保留时间43 min条件下能量产率最高,为57.56%;验证结果表明,此条件下能量产率为57.88%,说明该模型预测的最佳工艺条件稳定可靠,可用于指导生产高产率、高热值、高能量产率成型生物质炭。     

水热处理对生物质成型炭理化性质的影响

棉秆(CS)及木屑(WS)经高压反应釜水热预处理后压制成型,并于固定床热解炉内进行炭化实验,利用电子万能材料试验机、热重分析仪等分析手段分析水热预处理对生物质成型炭的产率、物理性能(机械强度和表观密度)、热值及燃烧性能的影响。研究表明:随着水热温度的升高,生物质成型炭的产率增加且热值稳定,但燃烧性能变差;经水热预处理制得的生物质成型炭灰分产率均小于18%,固定碳产率均大于60%,满足欧标要求;随着水热温度的升高,生物质成型炭的表观密度及抗压强度均先增加后减小;对比所有实验样品,经230℃水热预处理制得的生物质成型炭(CS/WS-HT230-CB)物理性能及燃烧性能最佳,且均优于商用烧烤炭性能。     

生物质水热过程中水热炭理化结构演变特性

为了解生物质水热炭化过程中水热焦炭的形成机制及其理化结构的演变机理,通过选择不同的原料、反应温度、时间等影响因素,利用高温高压反应釜,对生物质水热过程中水热炭的形成和理化结构演变进行系统分析,揭示水热过程中生物质的热分解机理。研究发现:原料不同其水热炭特性明显不同;木材和秸秆类生物质得到的水热炭有较高的产率和热值;虽然水生植物水葫芦所得到的水热炭产率较低,但其形貌最好,可作为一种新型的生物质炭材料,从而提高生物质资源的利用价值。反应温度和停留时间对水热转化均有明显影响,温度对焦炭的化学特性具有明显影响;而停留时间对焦炭的物理特性有明显影响。     

生物质衍生物高温热裂解制炭的研究

由于在能源和环境上的重大应用,生物炭近年来备受关注.本文研究了炭化温度、加热速率和保温时间对生物质衍生物(棉秆与污泥压缩成型的颗粒燃料)制炭后的低位热值(LHV)、炭产率和能源得率等性能指标的影响规律.结果表明:炭化温度为600℃、加热速率为20℃/min、保温时间为20min时,制得的生物炭具有最高的能源得率为52％,获得最佳的反应条件,同时此条件下的低位热值为14.1 MJ/g,炭产率为41.5％.与秸秆制得生物炭性能指标相比,生物质衍生物压缩成型炭化是一项很有潜力的方法.     

毛竹水热炭燃烧特性及动力学研究

该文先对毛竹进行水热处理制备水热炭,然后对毛竹原料及其水热炭进行燃烧实验,采用的升温速率为10、20、40 K/min,基于无模式函数多重扫描速率法(FWO法、KAS法、FR法),研究毛竹及水热炭燃烧特性及动力学。结果表明:1)升温速率提高,样品挥发分燃烧和固定碳燃烧阶段均向高温区转移,着火性能下降,燃尽温度提高;水热炭较原料挥发分含量降低,固定碳含量升高;水热温度越高,热值越大,能量产率越低,水热温度为260℃时,能量产率最低,为35.97%,230℃水热炭的原子数比[O]/[C]、[H]/[C]已接近泥煤,燃料性能较优。2)采用FWO法、KAS法活化能结果相近,模型较优,以FWO法为例,原料、200、230、260℃水热炭活化能区间分别为89～126、89～216、86～118、80～90 kJ/mol。     

烘焙预处理对秸秆热解产物品质及能量分布的影响

以玉米秸秆为原料,研究烘焙温度(220、250和280℃)对秸秆热解产物产率、品质和能量分布的影响。结果表明:秸秆经220、250和280℃烘焙后,热解生物油水分相比原样分别降低11.4%、28.3%和41.8%;与此同时,生物油中酸类产物逐渐减少,酚类产物逐渐增多,生物油热值明显增大。烘焙对热解气中CH_4和H_2有一定促进作用,可燃气的热值逐渐增大。烘焙对生物质炭的化学组分无明显影响,但随着生物质炭产率的增大,其能量产率逐渐增大。烘焙脱氧预处理可改善生物油的品质、提高可燃气的热值、增大生物质炭的能量产率。     

烘焙条件对生物质烘焙特性的影响

根据生物质种类,选取果实类生物质花生壳、木质类生物质锯末和草本类生物质竹子为对象,考察烘焙条件对生物质特性的影响。利用管式炉为烘焙实验主要装置,结合工业分析仪、元素分析仪等,考察三种生物质在烘焙温度为200 ~ 300℃和时间为30 ~ 90 min条件下烘焙产物的挥发分、固定碳含量、O/C和H/C、质量产率等,并引入烘焙程度指数来衡量烘焙前后的能量变化。实验结果表明：随着烘焙温度的升高,固定碳含量增加到40%以上,挥发分含量减少到50%以下,质量产率也随之下降。烘焙时间的影响弱于烘焙温度,随着烘焙温度的升高,烘焙时间对固体产率的影响逐渐显现,烘焙时间越长,固体产率越低。烘焙温度高于280℃、时间大于60 min时,烘焙后固体的能量产率仅为70%左右。O/C和H/C随烘焙温度升高而降低,草本类生物质竹子的能量产率受温度影响最大。果实类生物质花生壳、木质类生物质锯末的能量产率随烘焙程度指数增大而减小,而草本类生物质竹子的能量产率则呈先增后减的抛物线型,在烘焙程度为0.5时,竹子的能量产率达到最大值。各生物质烘焙程度指数的R²值均大于0.93,因此烘焙程度指数可被视为描述或预测生物质烘焙性能的可行指标。     

原料种类及热解温度对生物质炭理化特性影响的试验研究北大核心CSCD

为探究生物质原料和热解温度对生物质炭理化特性的影响,文章分别对松子壳、油茶壳、木屑和稻壳进行连续热解试验,获得生物质炭产物。通过对生物质炭的产率、工业分析与热值、吸附值、孔隙结构及表面官能团等理化特性的全面表征,研究原料种类及热解温度对生物质炭理化特性的影响。研究结果表明:松子壳炭、油茶壳炭、木屑炭的热值均大于标准热煤的热值;原料的挥发分含量越高,生物质炭的产率就越低,原料的灰分含量与生物质炭的灰分含量的变化趋势相一致;当热解温度为500℃时,4种生物质炭均可以形成较丰富的中、大孔隙结构,但松子壳、油茶壳等硬壳类生物质炭的微孔更为发达;随着热解温度的升高,生物质炭产率不断下降,生物质炭所含官能团的种类发生变化,数量逐渐减少,孔隙数量也减少,生物质炭的吸附能力减弱。     

成型生物质高温炭化及成型炭理化性能研究

分别将棉杆、木屑两种单一的生物质原料及其混合原料成型(炭化压力60 MPa)造粒,并于固定床热解炉内对成型生物质进行炭化实验,分析炭化温度(400、500和600℃)及棉杆的掺混比例对成型炭理化性能的影响。研究表明:物理特性方面,随着炭化温度的升高,生物质成型炭的表观密度和抗压强度均呈先减小后增大的趋势;相同炭化温度条件下,随着棉杆掺混比例的增加,成型炭的表观密度增大,但抗压强度呈先减小后增大的趋势;化学特性方面,随着炭化温度的升高,成型炭的热值增加,但燃烧特性变差,灰分产率增加;随着棉杆掺混比例的增加,成型炭的燃烧特性改善,但热值降低,灰分产率增加;通过先成型再炭化制得的成型炭灰分和固定碳产率均优于欧盟标准EN1860-2:2005;在炭化温度为400、500和600℃时成型生物质中至少含有20%、40%和60%的棉杆可使其燃烧特性指标优于商用烧烤炭。     

污水污泥水热炭化处理研究进展

高含水率是制约污水污泥处理处置的关键因素之一。水热炭化(Hydrothermal carbonization,HTC)是处理高含水物料的有效手段。本文综述了污泥水热炭化机理,对水热炭化固体产物——水热焦(Hydrochar)的脱水干燥特性、燃料及燃烧特性、气化特性、氮磷元素的迁移转化机理、重金属迁移转化机理和典型污水污泥水热炭化工艺能量进行分析。基于吉布斯自由能最小化原理,研究了水热炭化温度和水热炭化时间对水热焦气化特性的影响,发现在200℃和30 min时,碳转化率和冷煤气效率分别达到93.9%和64.38%,水热焦气化特性最佳。最后指出,在污水污泥协同水热炭化、磷形态准确分析及定向转化、水热焦气化机理和耦合水热炭化的污泥气化/焚烧工艺能量、经济和环境评价等方面急待开展研究,最终为实现污泥的减量化、能源化和清洁化高效利用提供科学指导。     

生物质制备燃料炭实验研究

利用管式固定床炭化装置对棉秆、木屑和竹屑进行炭化实验,利用工业分析仪、快速量热仪和热重分析仪对炭化实验制得的生物质炭进行分析,用木炭和烧烤炭质量指标评价生物质炭质量,用着火温度、燃尽温度和综合燃烧特性指数S评价生物质炭燃烧特性。结果表明:随着炭化温度的升高,生物质炭产率和干基挥发分产率减小、干基固定碳产率增大,相应的变化速率减小;着火温度和燃尽温度随着炭化温度的升高而升高,S值减小;相比木屑炭和竹屑炭,棉秆炭的燃烧特性最好。对比生物质炭与木炭和烧烤炭的燃烧特性和炭质量发现,木屑和竹屑可用于生产木炭替代品,棉秆可用于制作烧烤炭,500℃为棉秆制备烧烤炭的最佳炭化温度。     

餐厨垃圾制生物煤试验初探

文章以校园餐厨垃圾为原料,以水热炭化的方法处理餐厨垃圾,对得到的水热炭化固体产物生物煤的特性参数进行测定,得出生物煤的热值及灰分均达到GB/T 17608-2006精煤的一级标准。通过3水平3因素正交试验,对水热炭化工艺条件进行优化,得到影响因素的主次顺序为温度pH反应时间,合适的工艺条件为180℃,pH为4,反应时间为3 h。在温度160~220℃范围内,随着反应温度的增高,生物煤的热值增加,而其转化率则是先增高,后趋于平缓,最后急速下降。在优化工艺条件下对餐厨垃圾进行水热炭化,得到生物煤热值为30.18 MJ/kg,转化率为54.08%。对餐厨垃圾及优化条件下得到的生物煤进行元素分析,得出经过水热炭化后,碳的质量百分含量从49.00%提高到65.93%,而氧元素的质量分数降低了17.98%。同时,水热炭化改变了餐厨垃圾的极性及芳香性。     

生物质成型炭燃烧特性研究

使用固定床反应器对成型棉秆、成型木屑及二者混合成型生物质进行炭化实验,利用快速氧弹量热仪、热重分析仪等对生物质炭的成型质量、着火温度、燃尽温度和综合燃烧系数S进行研究。应用Coats-Redfern积分法建立其氧化反应动力学模型,分析成型炭的反应动力学参数和燃烧机理。结果表明,随着炭化温度的升高(400～600℃),成型炭的热值提高,灰分产率增加,燃烧性能变差。相同炭化温度下,棉秆成型炭的燃烧性能优于木屑成型炭,但灰分高、热值低。在木屑中掺混棉秆可有效改善成型炭的燃烧性能。燃烧动力学方面,成型生物质炭化后,其燃烧过程由内扩散阻力控制的片状燃烧反应机理变成化学反应阻力控制的球状燃烧反应机理,反应活化能增加。通过先成型再炭化制得的成型炭,其灰分产率(4.9%～9.1%,wt)和固定碳产率(67.8%～83.8%,wt)均符合欧标要求,尤其灰分产率明显低于欧标;与商用机制烧烤炭相比,该成型炭燃烧性能优,反应活化能低(18.71～41.99 kJ/mol)。     

玉米秸秆颗粒热解制炭的试验研究

对玉米秸秆颗粒炭化温度对生物质炭的产率及质量的影响进行试验及分析研究,给出了不同炭化温度下玉米秸秆颗粒的产炭量、能源转化率和生产出炭的理化特性,找出了秸秆制炭工艺的最佳炭化温度条件。试验表明:玉米秸秆颗粒在300℃时即可完成炭化,炭的产率为55%,低位热值为21.3MJ/kg,挥发分为35.75%,提高热解温度时,炭的产率及热值均呈逐步下降的趋势。因此,对于简单的颗粒制炭设备,宜采用低温炭化工艺,以获得较高的秸秆炭产率。     

移动床内高炉渣热载体与生物质热解液化实验研究

以移动床为高炉渣余热裂解生物质实验平台,研究高炉渣温度、粒径和生物质粒径等对生物质热解产物分布的影响。结果表明,生物油产率随着高炉渣温度的增加先增加后减小,当高炉渣热载体温度为650℃时,生物油产率最高;高炉渣粒径和生物质粒径越小,生物油的产率越大。炉渣温度650℃、粒径0~2mm,生物质粒径小于75μm,生物质油产率达到57.3%。生物油中含氧量和含水率较高,热值低,pH值为3.7。     

厨余垃圾及其水热炭燃烧特性与动力学研究

采用热重分析法研究厨余垃圾及其水热炭的燃烧特性与反应动力学。对比分析厨余垃圾及其水热炭在3种不同升温速率(10、20、40℃/min)下的燃烧特性,分别采用KAS(Kissiger-Akahira-Sunose)法和FWO(Flynn-Wall-Ozawa)法计算燃烧过程中反应动力学参数。结果表明:20℃/min升温速率下,厨余垃圾与水热炭呈现不同的燃烧特性,厨余垃圾微分热重(DTG)曲线呈明显的双峰结构,而随着炭化温度的升高,水热炭DTG曲线第1个峰逐渐变缓,最后消失。随着升温速率的增大,各样品DTG曲线整体向高温侧偏移,着火温度和燃尽温度升高,燃烧特性指数增大。KAS法和FWO法求得的各样品燃烧活化能均具有相似变化趋势,因挥发分含量减少及固定碳含量增加,厨余水热炭热值增大,燃烧过程中平均活化能高于厨余垃圾。     

麦秆水热炭化及反应动力学的研究

以麦秆为研究对象,通过水热炭化实验和建立反应动力学模型(考虑灰分),对麦秆水热固体产物的炭化特性和反应动力学参数进行深入研究。结果表明:在200、220和240℃反应温度下,随着停留时间的延长,生物炭质量得率逐渐减少,至停留时间为720 min时,均接近50%;生物炭H/C和O/C物质的量之比逐渐减小,并越来越接近于泥煤甚至褐煤的H/C和O/C物质的量之比。热重分析表明:生物炭展现出较好的热稳定性。以考虑灰分的半纤维素和纤维素两个平行的一级反应动力学模型描述麦秆的水热降解行为,经计算分析,半纤维素和纤维素水热反应活化能分别为54和136 k J/mol。     

生物质原料烘焙预处理研究

烘焙预处理是生物质气化或混合煤炭燃烧之前的预热处理过程。综述国外研究资料的基础上,建立了包括质量产率、能量产率、高热值、氧碳比、含水量、研磨能耗等6项参数在内的综合评价指标和标准,研究了草芦、秸秆、松木屑、锯末、柳树木屑等生物质原料的烘焙预处理方式。研究发现:松木屑、锯末、秸秆的理想烘焙条件为:烘焙时间0.5h,烘焙温度依次为250~275℃、250℃、230~250℃;柳树木屑的理想烘焙条件为:烘焙时间1h、烘焙温度230℃。草芦在各烘焙条件下均无法达到标准水平。     

三种生物质热解特性及动力学研究分析

采用热重分析法研究稻壳、秸秆以及锯末在不同升温速度(10、20和30℃/min)下的热解特性。利用元素分析仪和差热天平等实验设备对其进行加热处理,加热温度(25～800℃),得到不同升温速度下的热重法(TG)曲线、差热分析法(DTG)曲线。并利用Coats-Redfern法计算生物质的热解动力学参数,得出结论,在相同条件下三种生物质的生物焦产率为稻壳>秸秆>锯末;活化能为稻壳(72.54～81.97 kJ/mol)>锯末(71.24～76.78 kJ/mol)>秸秆(60.65～71.99 kJ/mol)。