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秸秆建材燃烧特性及生命周期研究

谭福太  
【摘要】:随着市场经济的持续发展和城市的不断扩大,大片森林被砍伐用于个人家装和经济建设,林木资源正面临采伐殆尽的危险,该现状为我国秸秆建材工业的发展提供广阔的前景;此外,秸秆建材以异氰酸酯为胶粘剂,固化后不产生游离甲醛,是很好的绿色环保材料,符合当前政府和民众对绿色产品的需求,成为家具和建筑行业的良好原料,因此,秸秆建材工业将成为我国农作物秸秆综合利用的主要发展方向之一。 本文以秸秆瓦、秸秆板材作为研究对象,利用热重试验台、管式炉烟气试验台、生命周期评价方法(LCA),对秸秆建材燃烧时的失重特性、动力学参数、排放情况及其生产各阶段的环境影响进行了较为全面的研究,并将秸秆建材的燃烧特性和环境影响评价与秸秆、一般建材作对比,为秸秆建材的综合评价及秸秆建材工业的环保健康发展提供参考。 利用热重法对水稻秸秆、秸秆瓦和秸秆板在30℃/min加热速率,两种氧气浓度下的燃烧特性进行了研究。氧气浓度对水稻秸秆、秸秆瓦和秸秆板的着火温度的影响较不明显,但会对样品残余重量有较大的影响,氧气浓度的提高有助于燃烧更完全。样品最大燃烧速率对应的温度从高到低的排序为:秸秆板>秸秆瓦>水稻秸秆,样品最大燃烧速率从高到低的排序都为:水稻秸秆>秸秆瓦>秸秆板。两种秸秆建材都比水稻秸秆更难燃烧。秸秆板的着火温度比水稻秸秆、秸秆瓦和未经阻燃处理的木材的着火温度要高,更难着火。秸秆板的着火时间超过10min,且同在20vol%氧气浓度气氛下,秸秆板的着火时间比相同条件下秸秆原料的着火时间迟约3min左右,根据火灾发生最初的5到10分钟的最佳时间判断,秸秆板具有较好的防火性能。 利用热重法对秸秆瓦、三夹板、石棉吸声板、普通石膏板、矿棉天花板和PVC板在纯氮气和空气气氛中以10℃/min、20℃/min和30℃/min为加热速率进行热解、燃烧失重特性研究。在升温速率为20℃/min空气中燃烧时,秸秆瓦的失重曲线与PVC板最为相似。最大失重速率从大到小依次为:三夹板>秸秆瓦>PVC板>普通石膏板>矿棉天花板>石棉吸声板;最大失重速率对应温度从大到小依次为:石棉吸声板>三夹板>秸秆瓦>PVC板>矿棉天花板>普通石膏板;固体残留量从大到小依次为:石棉吸声板>普通石膏板>矿棉天花板>PVC板>秸秆瓦>三夹板。综合燃烧特性指数值从大到小依次为:三夹板>秸秆瓦>PVC板>普通石膏板>矿棉天花板>石棉吸声板。秸秆瓦的综合燃烧特性指数值与PVC板和普通石膏板处于同一数量级,而与三夹板、矿棉天花板和石棉吸声板相差较大。对三夹板、普通石膏板、PVC板和秸秆瓦来说,升温速率的增加会明显导致TG曲线有向右(高温方向)移动,最大失重速率也有所增加,并且升温速率对着火时间和综合燃烧特性指数的影响较大。当升温速率为10℃/min和20℃/min,秸秆瓦在10分钟前不会着火。 结合失重规律,利用一级分阶段反应模型对秸秆瓦和五种一般建材的动力学参数进行了计算。在20℃/min升温速率的空气气氛下燃烧时,活化能从大到小依次为:石棉吸声板>普通石膏板>矿棉天花板>三夹板。而秸秆瓦和PVC板的三个反应过程的活化能相差较大,第二个反应过程的活化能最小。秸秆瓦的前两个反应过程的动力学参数比PVC板小,第三个反应过程的动力学参数比PVC板略大。氧气浓度的提高,使秸秆瓦的每一个反应活化能略微变小,说明氧气浓度的提高对反应的进行有一定促进作用。 在管式炉-烟气分析实验台上对水稻秸秆和秸秆瓦在三种氧气浓度、五种温度下的气体污染物排放进行了研究。温度对秸秆和秸秆瓦的CO_2的排放浓度峰值的影响较小,CO_2的排放浓度峰值会随着燃烧气氛中的氧气浓度下降而略有上升。CO、NO_x和SO_2排放物浓度的峰值随温度的变化规律与气氛中氧气浓度、物料、排放物种类有关。只有在高温段,水稻秸秆和秸秆瓦CO的排放浓度峰值才会随氧气浓度的降低而上升,燃烧恶化。同一温度下,秸秆和秸秆瓦NO_x的排放浓度峰值随氧气浓度的下降而下降。低温段秸秆和秸秆瓦SO_2的排放浓度峰值在空气气氛下最大,而高温段秸秆和秸秆瓦SO_2的排放浓度峰值在极度缺氧气氛下最大。在同一燃烧气氛下,秸秆瓦粉末的CO_2排放浓度比水稻秸秆粉末略小,NO_x排放浓度比水稻秸秆要小,但CO和SO_2排放浓度比秸秆瓦要高。 利用LCA手段对某年产5万m~3秸秆人造板的生产项目进行定性、定量的评价分析,得如下结论:秸秆人造板项目每生产1m~3的秸秆人造板需消耗212.58kg标煤和0.16kg油,总资源耗竭系数2.18mPR90,总能耗为6228.56MJ,总环境影响潜值为15.03PET2010,此项目整个生命周期中主要消费的能源是煤炭,对酸化的不利影响最大,对粉尘和富营养的不利影响次之,对光化学臭氧合成的影响几乎可忽略,而对全球变暖的影响是有益的。


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