生物质秸秆热特性的测定分析及DSC曲线拟合

摘要

生物质秸秆是我国的宝贵资源，热特性是秸秆能源化利用的基础，为了进一步分析探讨不同地域、不同种类生物质秸秆热特性，采集水稻、小麦和油菜三种生物质秸秆样品485个，其中水稻317个，小麦46个，油菜122个，测定样品在常温下的比热容和导热系数，比较分析不同地域、不同种类生物质秸秆的比热容和导热系数，探讨不同含水率、不同粒径、不同堆积密度对其比热容和导热系数的影响。另外，使用DSC200F3型差式量热扫描仪，采用参比法测定了水稻和小麦的比热容，对用品比热容测定结果和DSC曲线进行了统计和分析，并使用MATLAB对样品的DSC曲线分别进行高斯函数(Gaussian)、多项式函数(Polynomial)和有理数函数(Rationd)拟合，分别建立了水稻和小麦秸秆比热容拟合模型，并对模型进行了外部验证。主要研究结果如下:
　　 (1)比较不同地域、不同种类的生物质秸秆的比热容和导热系数，结果表明，对于水稻秸秆比热容而言，湖北、湖南和云南的水稻秸秆比热容之间均有极显著差异。对于水稻秸秆导热系数而言，湖北和湖南之间无明显差异，云南省水稻秸秆的导热系数与湖南和湖北的之间具有极显著差异;对于油菜秸秆而言，湖南和四川的油菜秸秆比热容和导热系数与湖北省之间有极显著差异，湖南和四川之间无显著差异。通过对不同种类生物质秸秆热特性分析比较可知，小麦秸秆和油菜秸秆比热容之间无显著差异，但二者都与水稻秸秆有极显著性差异;水稻秸秆和油菜秸秆导热系数之间有显著性差异，水稻与小麦、油菜与小麦导热系数之间无显著性差异。
　　 (2)探讨了不同的含水率、粒径以及堆积密度各个因素对导热系数和比热容的影响。结果表明，在一定范围内，随着含水率的增大，导热系数逐渐增大，含水率对小麦秸秆的导热系数影响显著，对水稻秸秆、油菜秸秆的导热系数影响极显著;比热容呈现出减小的趋势，含水率对水稻秸秆比热容影响不显著，对小麦秸秆比热容有极显著影响。使用筛网将水稻秸秆样品分成5种颗粒粒径的样品，分别是＞20目、20-40目、40-60目、60-80目以及＜80目。随着颗粒粒径的减小，导热系数逐渐增大，水稻秸秆样品的比热容先增大，在＜80目的时候又有所减小。方差分析结果表明，粒径的大小对水稻秸秆的导热系数和比热容都有极显著影响。随着堆积密度的增大，水稻秸秆、小麦秸秆和油菜秸秆样品的导热系数值明显增大，堆积密度对水稻秸秆导热系数有极显著影响，对小麦秸秆和油菜秸秆的导热系数影响显著。然而随着堆积密度的改变，三种秸秆样品的比热容变化不明显，方差分析也表明堆积密度对三种秸秆样品的比热容影响不显著。
　　 (3)利用DSC200F3型差式量热扫描仪，采用参比法分别测定了水稻和小麦样品在不同温度下的比热容，并对测定结果和DSC曲线进行了统计分析;采用高斯函数(Gaussian)、多项式函数(Polynomial)和有理数函数(Rationd)分别对水稻和小麦样品的DSC曲线进行拟合，建立了水稻秸秆和小麦秸秆比热容拟合模型。结果表明，在30℃-200℃温度范围内，水稻秸秆比热容介于0.7886J/mg.K-6.5895J/mg.K之间，小麦秸秆比热容介于0.5831/mg.K-6.4835J/mg.K之间，温度对比热容有很大影响，同时受地域、品种和生长环境的影响也较大;水稻秸秆和小麦秸秆品种间的DSC曲线的变化规律及形状基本一致，DSC曲线是近似于正态分布曲线，并有明显的“拖尾”现象;水稻秸秆和小麦秸秆比热容曲线可以采用高斯函数(Gaussian)进行描述，水稻秸秆比热容测试值与拟合模型预测值之间的相关系数R2为0.9986;和方差SSE和标准差RMSE值分别为0.6481和0.0454;小麦秸秆比热容测试均值与拟合模型预测值之间的相关系数R2为0.9988;和方差SSE以及均方根误差RMSE值分别为0.8312和0.0514，有较高的预测精度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究的目的意义

1．2 国内外相关研究现状

1．2．1 国外相关研究现状

1．2．2 国内相关研究现状

1．3 主要研究内容与技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

2 生物质秸秆热特性的测定及其统计分析

2．1 材料与方法

2．1．1 样品采集与制备

2．1．2 仪器与设备

2．1．3 热特性测定与分析

2．2 结果与分析

2．2．1 不同地域秸秆热特性测定结果与分析

2．2．2 不同种类秸秆热特性测试结果与分析

2．3 本章小结

3 生物质秸秆热特性影响因素研究

3．1 材料与方法

3．1．1 样品的采集与制备

3．1．2 仪器与设备

3．1．3 热特性测定与分析

3．2 试验结果与分析

3．2．1 不同含水率对秸秆热特性参数的影响

3．2．2 不同粒径对秸秆热特性参数的影响

3．2．3 不同堆积密度对秸秆热特性参数的影响

3．3 本章小结

4 基于DSC的水稻、小麦秸秆比热容分析与曲线拟合

4．1 材料与方法

4．1．1 样品采集与制备

4．1．2 仪器与设备

4．1．3 测试原理与方法

4．1．4 曲线拟合方法与评价

4．2 结果与分析

4．2．1 水稻与小麦秸秆比热容测试数据统计

4．2．2 水稻与小麦秸秆比热容DSC曲线分析

4．2．3 水稻与小麦秸秆比热容DSC曲线拟合

4．3 本章小结

5 结论与进一步研究设想

5．1 主要研究结论

5．2 进一步研究设想

参考文献

致谢