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玉米、小麦秸秆原料、热解过程及固体产物特性NIRS快速分析研究

薛俊杰  
【摘要】:综合高效利用生物质是解决能源危机和环境污染两大问题的有效方法之一,其中,生物质热解是一项基本和有效的利用技术。热解利用的基础特性主要包括原料组分和热值、热解过程参数和热解产物的燃料特性。这些基础特性的检测可为评价生物质适用性,了解反应过程和机理,预测反应速率及难易程度,指导实际生物质热解设备和工艺的工程设计,有效控制生物质热解提供数据和技术支持。传统的检测方法费时费力,近红外光谱技术(NIRS)作为一种快速、高效的检测方法,对生物质热解利用中原料、过程和产物基础特性的快速定量检测具有很大潜力。本研究选取主要农作物秸秆玉米、小麦秸秆,基于NIRS对不同粒度原料组分和热值进行实验室和在线定量预测研究,对热解特性、热解活化能和低温热解固体产物的燃料特性进行快速定量预测研究。研究结果表明,NIRS可以快速定量预测原料的组分和热值、热解特性、热解活化能和低温热解固体产物的燃料特性。论文取得的主要创新性成果有:1、NIRS可以快速定量预测玉米、小麦秸秆粗粉原料的纤维素、半纤维素、木质素、可溶性糖、水分、灰分、挥发分、固定碳、C、H、N、O、K、Mg和热值,而对于S含量的定量预测,模型需进一步研究。粗粉光谱模型与细粉光谱模型相比,细粉模型精度高于或与粗粉模型精度相当,粗粉和细粉最优模型的光谱预处理方式不同,表明样品状态不同,需要不同预处理方法。2、在线光谱采集参数对不同近红外光谱仪器的光谱重复性影响不同,因此,对不同光谱仪需采用不同采集参数,以保证光谱质量。采用优化后光谱仪和采集参数,建立的在线模型可以快速定量预测样品的纤维素、半纤维素、木质素、可溶性糖、水分、灰分、挥发分、固定碳、C、H、 O、N、K、Mg、热值,而对于S的预测效果较差。与静态粗粉模型相比,在线模型精度与静态粗粉模型相当或略好。3、不同热解速率下的热解过程特性存在显著区别,小麦秸秆与玉米秸秆的热解过程特性存在显著区别。NIRS可以快速定量预测热解外推起始温度、外推结束温度、总失重率、失重率、峰值速率、最大峰温度,模型的RSD都小于10%。玉米秸秆的活化能显著高于小麦秸秆。活化能随转化率的增加先增大后减小再增大。峰值转化率点对应的活化能随升温速率增加无显著变化。NIRS可以快速定量预测其热解平均活化能及转化率为0.3-0.6阶段的活化能,模型RSD都小于10%。4、不同终温对低温热解固体产物的燃料特性影响非常显著。相对于终温来说,不同升温速率,不同氮气吹扫速率对低温热解固体产物的燃料特性的影响较小。玉米秸秆低温热解固体产物和小麦秸秆低温热解固体产物的燃料特性有显著区别。利用NIRS可以快速定量预测玉米秸秆和小麦秸秆低温热解固体产物的能量产率、质量产率、热值、挥发分、固定碳、灰分、C、H、O、 N、燃料比率,其模型交互验证RSD分别为4.66%、5.12%、3.29%、7.01%、7.61%、7.44%、2.10%、8.18%、5.31%、7.02%、11.89%,对水分和S含量的预测精度较低,需进一步研究。


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