生物质低温热解炭化特性研究及中试炭化炉的开发

摘要

生物质低温热解炭化（烘焙）是在低温(200-300℃)、缺氧和较低加热速率（小于50℃/min）条件下对生物质进行热化学处理，从而获得含水率低、热值与能量密度高、可研磨性与疏水性好、适宜长距离运输和长时间储存的生物炭。该技术在燃烧、热解、气化等领域显示了良好的发展和应用前景。目前此方面的研究主要集中在生物质低温热解炭化特性，但对低温热解炭化装置的研究较少，这也限制了该技术的工业应用。本文在生物质低温热解炭化实验的基础上，基于热解产物分析和能量平衡计算，开展了生物质炭化中试装置的研发，主要内容及结论如下:
　　在固定床实验装置上研究了杨树枝低温热解炭化特性，进行了生物炭的工业分析、元素分析、热值和研磨性测定，分析了热解温度和保温时间对杨树枝低温热解炭化特性的影响。结果表明:炭化操作参数对生物质表观形貌具有较大影响，随着热解温度和保温时间的增加，生物炭的表观体积缩小，颜色逐渐加深。随着热解温度和保温时问的增加，生物炭的固定碳和低位发热量显著提高，而生物炭的挥发分以及H/C和O/C摩尔比则显著降低。与生物质原料相比，生物炭的研磨特性得到较大改善，其中PB250/30型生物炭粉磨后粒径大于420μm比例仅占2.58％（生物质原料为58.57％）。随着热解温度的升高，生物炭产率呈现先快速下降然后逐渐趋于稳定的趋势，相应的气体产率逐渐升高，而液体产率则呈现先显著增加后缓慢下降的趋势。随着保温时间的延长，生物炭产率逐渐下降、液体产率稍有增加，而气体产率变化不大。随着热解温度的升高，生物炭的质量得率和能量得率逐渐降低，在温度为225℃和保温时间为30 min条件下，杨树枝炭的质量得率和能量得率分别为64.00％和80.68％。
　　根据杨树枝热解产物和热重差示扫描(DSC)的分析结果，分别计算了热解气、生物油的热值及生物质热解所需热量。基于能量平衡法，研究了热解条件对生物质低温热解过程的影响。结果表明:随着热解温度的升高，热解产物（热解气和生物油）的发热量显著增加，在热解温度为225℃和保温时间为30 min的条件下，杨树枝炭产率可达60％以上，其热解气和热解油燃烧后的发热量基本可以满足其热解能量自平衡的需要。
　　提出了一种采用刮板输送的移动床生物质炭化中试装置，确定了干燥室、炭化室和热解气燃烧装置等炭化炉关键部件的结构尺寸，设计并建立了生物质低温热解炭化中试装置，并基于中试研究结果开展了相关的技术经济分析。结果表明，该中试装置高效集成了生物质干燥、炭化、热解气燃烧以及高效换热等多项功能，可以连续稳定生产生物炭，在炭化温度为220℃条件下，其产炭率达到了63.67％;炭化炉具有较好的预期经济效益，其投资回收期小于2年，为生物质低温热解炭化技术的工业应用奠定了基础。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 生物质低温热解炭化特性的研究现状

1．2．1 生物质种类的影响

1．2．2 热解温度的影响

1．2．3 停留时间的影响

1．3 生物质热解炭化设备的发展现状

1．3．1 固定床式热解炭化炉

1．3．2 移动床式热艇炭化炉

1．3．3 炭化炉热设计关键技术的研究现状

1．4 生物质低温热解炭化技术经济性分析

1．5 本文的研究内容

1．6 本章小结

第2章 生物质低温热解炭化特性的试验研究

2．1 实验原料

2．2 固定床热解试验装置与方法

2．2．1 试验装置

2．2．2 试验方法与步骤

2．3 实验结果与分析

2．3．1 生物质热重和差热分析

2．3．2 生物炭的理化特性分析

2．3．3 低温热解炭化产物质量分布特性

2．3．4 生物炭的质量得率和能量得率

2．4 本章小结

第3章 生物质低温热解能量平衡计算

3．1 引言

3．2 能量平衡分析与计算假设

3．2．1 能量平衡分析

3．2．2 计算假设及思路

3．3 能量平衡计算

3．3．1 生物质热解过程吸热量的计算

3．3．2 气体产物燃烧热的计算

3．3．3 液体产物燃烧热的计算

3．4 能量平衡计算结果与分析

3．5 本章小结

第4章 生物质低温热解炭化炉本体设计

4．1 引言

4．2 生物质炭化炉的工艺设计

4．3 生物质炭化炉的结构设计

4．3．1 整体结构设计

4．3．2 主要设计参数

4．3．3 干燥室和炭化室的结构设计

4．4 主要部件的设计计算

4．4．1 燃烧室的设计计算

4．4．2 干燥室的热力计算

4．4．3 炭化室的热力计算

4．5 本章小结

第5章 中试规模生物质炭化炉调试及其经济性分析

5．1 中试装置

5．2 试验原料

5．3 试验步骤

5．4 结果与分析

5．4．1 冷态调试

5．4．2 燃烧器调试

5．4．3 热态调试

5．5 存在问题及解决方法

5．6 炭化炉的技术经济分析

5．6．1 生物炭预期成本估算

5．6．2 生物炭预期销售价格

5．6．3 炭化炉的预期经济效益

5．7 本章小结

第6章 全文总结与建议

6．1 全文总结

6．2 建议

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢