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《南京理工大学》 2013年
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生物质残渣热解动力学研究

郝亚茹  
【摘要】:生物质能是一种清洁可再生能源,它以CO2零排放、低S、低N等特点在能源结构中的地位越来越重要。生物质热解不仅是一种高效生物质能转化途径,而且还是气化、液化及燃烧过程的初始和伴生反应。通过对生物质的失重行为进行动力学分析,可深入了解生物质热解过程及反应机理,为设计和开发高效的生物质能转换设备提供基础数据和理论依据。 本文首先设计搭建了一套热风干燥装置,可在短时间内将大量新鲜高湿物料干造成含水率较低的分析样,便于入库保存,为后续实验研究做准备。 采用综合热分析仪,对几种典型的源自生物质的工业有机残渣(如中药渣、木屑、甘蔗渣和发酵床垫料)进行了热解动力学研究。在不同升温速率β下分别对粒径65目的四类生物质残渣进行热重实验,并在β=20℃/min,不同粒径范围内,对中药渣(样品来自加多宝集团)进行热重分析。在确定生物质残渣“动力学三因子"时,采用多升温速率法中Ozawa法、Staring法和Doyle法计算活化能E值,同时利用Coats-Redfern积分法将热重实验数据分别代入12种常用的固态热解反应动力学机理函数中,通过动力学三因子求算的比较法,获得用来描述特定生物质的最优机理函数。最后引入动力学补偿效应,在选定的最优机理模型基础上,确定药渣、木屑和甘蔗渣的活化能E与频率因子A,从而建立三种试样的热解过程动力学表达式。分析研究结果包括: 1.生物质残渣热解特性实验研究结果如下: (1)中药渣热解过程分为预热干燥、主热解和炭化三个阶段,木屑与甘蔗渣热解过程可分为四个阶段,与药渣相比增加了预热解阶段。(2)随着升温速率的提高,最大失重速率及其对应的温度显著增加,热重曲线TG/DTG向高温侧移动。(3)大粒径的试样碳化程度较高,最大失重量和最大失重速率低于小颗粒试样。(4)甘蔗渣DTG曲线出现明显两峰分离现象,原因在于半纤维素相对纤维素含量高。(5)含木质素较高的木材类生物质在消极热解区较为活跃,同时高升温速率有利于挥发分的析出。 2.生物质残渣热解动力学研究结果如下: (1)在粒径小于65目不同升温速率下,三种多升温速率法求得中药渣活化能E值在70.5~76.8kJ/mol范围内,木屑E值在126.4-167.5kJ/mol范围之间,甘蔗渣E值在154.3-193.9kJ/mol范围之间。(2)在对木屑和甘蔗渣活化能E值确定中发现,随转化率α的增加,木屑和甘蔗渣的活化能值先增加后减小,α=40%和35%时,木屑和甘蔗渣活化能值分别达到最大。(3)从机理函数推断中可知,Dl号模型能够较好的描述中药渣热解反应过程,木屑和甘蔗渣最优机理模型为D3号。(4)引入动力学补偿效应,在选定最优机理函数基础上,确定中药渣活化能E=74.1kJ/mol、频率因子A=1.58×103s-,木屑E=136.1kJ/mol、A=8.21×107s-1,甘蔗渣E=123.9kJ/mol、A=4.99×106s-,从而建立三种试样的热解过程动力学表达式。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TK6

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