生物质和煤在回转设备中的共热解实验研究

摘要

在全球能源危机的今天，利用清洁能源解决危机尤为重要。生物质作为一种清洁可再生能源，具有储量大、可再生、环境友好等特点，是良好的替代能源。但是煤作为传统能源，仍占据主要的能源消费。并且，在煤的燃烧利用过程中会产生多种污染和环境问题。因此，开发煤的清洁利用技术尤为重要。热解气化是一种煤炭资源清洁利用的方式。生物质和煤共热解能综合利用清洁能源，是一种环境友好的能源利用方式。生物质和煤在回转设备中共热解是一种新型的共热解方式，可实现生物质和煤的动态共热解，反应时间可控，且可连续反应。 本文利用德国耐驰公司STA409PC热重/差热分析仪，对玉米秸秆成型料、棉柴成型料和洪山煤的共热解进行了热重分析；根据热重数据，应用Coats-Redfern法对共热解过程进行了热解动力学分析。实验表明：共热解过程存在协同效应，共热解最大失重速率温度较单独热解的低，共热解的活化能低于单独热解的活化能。 依据原料特性以及实验要求，设计搭建了回转热解实验台，实验台反应部分选用绞龙螺旋结构，内径100 mm，长度1000 mm，螺距40 mm，径向间隙30 mm，电加热功率6 kW。实验台的物料处理速率为3.84-13.9 kg/h，物料反应时间可控制在10-14 min之间。 在搭建完成的实验台上进行了生物质和煤的共热解实验，并分析了反应温度、反应时间以及生物质和煤掺混比例等反应条件对热解气成分的影响。实验结果表明：热解气体中CO、CO2、CnHm的含量均随着温度的升高而减少，H2和CH4含量随着随着温度的升高而增加，热解气的热值随着温度的升高而升高。秸秆和棉柴两种生物质与煤混合热解的热解气成分和热值变化趋势相一致，热解气中CO、CO2和H2含量随着反应物中煤含量增加而降低，CH4、CnHm含量及热值随着反应物中煤含量增加而升高。随着反应时间的增长，CO2、CH4、CnHm的含量会有所减少，但同时，CO和H2的含量有所增加，热解气热值随反应时间延长略有升高。 在物料吸热量计算和流化床燃烧强度数值模拟的基础上，本文讨论了流化床燃烧炉与回转热解实验装置相耦合的可能性。计算和模拟结果表明：流化床燃烧炉可实现高强度燃烧，且热功率最低为36.53 kW，热载体携带热量最低为9.2 kW；而计算所得物料热解反应的最大吸热功率为2.7 kW。因此，流化床燃烧炉和回转热解装置可实现耦合热解过程。

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第1章 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 国内外研究动态及发展分析

1.2.1 煤和生物质的共热解

1.2.2 回转热解研究现状

1.2.3 共热解动力学研究

1.3 主要研究内容

第2章 生物质和煤共热解热重实验及热解动力学分析

2.1 实验部分

2.1.1 实验原料

2.2 实验仪器及方法

2.3 结果分析

2.3.1 热解结果

2.3.2 热解反应动力学分析

2.4 本章小结

第3章 回转热解实验装置设计

3.1 回转热解实验装置设计思路

3.2 回转热解实验系统设计

3.2.1 回转热解实验台主要部件设计

3.2.2 回转热解实验台辅助设备设计

3.2.3 回转热解实验装置测量设备的选择

3.2.4 实验台设计须解决的热膨胀问题

3.3 回转热解实验台冷态实验

3.3.1 物料停留时间实验

3.3.2 实验台加料量实验

3.4 本章小结

第4章 生物质和煤在回转设备中的共热解实验

4.1 实验原料及制备

4.2 实验设备与方法

4.3 实验结果分析

4.3.1 共热解温度对热解气成分的影响

4.3.2 生物质和煤掺混比例对热解气成分的影响

4.3.3 共热解反应时间对热解气成分的影响

4.4 实验故障分析及排除

4.5 本章小结

第5章 高燃烧强度外热源流化床燃烧炉数值模拟

5.1 热解反应吸热量研究

5.2 外热源流化床燃烧炉数值模拟

5.3 本章小结

第6章 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢