生物质加压烘焙提质研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:cyg858644
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生物质具有低硫、低氮、高挥发分、碳中性等优点,其作为能源的大规模应用对我国“碳达峰、碳中和”宏伟目标的实现具有重要推动作用。然而生物质能量密度低、可磨性差、吸水性强等缺点限制了它作为动力燃料的使用。烘焙是一种提高生物质燃料品质的有效方法,近年来干式加压烘焙及湿式加压烘焙由于所需烘焙温度较低,烘焙后的生物质具有优良的燃料品质,成为了研究新热点。本文针对干式加压烘焙,分别在相同烘焙温度和相同质量收率下研究了常压和加压烘焙对生物质提质效果的影响,探究了加压烘焙对生物质燃料特性以及热转化行为的影响规律和作用机制;结合湿式烘焙的特点提出了湿式烘焙联合生物质洗涤预处理,比较了不同洗涤溶剂对生物质中碱金属的脱除效果,继而探究了单独预处理以及联合预处理对生物质热解行为的影响。采用管式炉和间歇式反应釜分别在常压和5 MPa压力条件下,对杨木屑(PS)和玉米秆(CS)进行了烘焙处理,研究了常压(AP)烘焙和气体加压(GP)烘焙对生物质的理化特性以及燃烧特性的影响。结果表明,相较于常压烘焙,气体加压烘焙显著改变了生物质的理化特性和燃烧特性。PS和CS在加压烘焙后能量密度更高,含氧官能团明显减少,结晶度下降,表面形貌发生了显著变化。在燃烧方面,与PS和PSAP相比,PSGP最大失重速率略有降低,其峰值对应的温度在较小范围内变化,而CSGP的最大失重速率明显下降,对应的峰值温度出现在400℃,比CS和CSAP高出近100℃。相比于CS,CSAP的燃烧特性有所改善,而CSGP在烘焙过程中挥发分大量分解,着火稳定性指数降低至0.3534× 104。PSGP和PSAP的着火稳定性指数和综合燃烧特性指数相对原样均有所提高,分别增加了 0.3%、22.9%和20.5%、26.2%。PSGP和CSGP的平均活化能值分别为101.2和76 kJ/mol,较原样分别降低了 24.98%和47.80%。在不同温度对玉米秆进行了常压和加压烘焙,结果表明,无论是常压烘焙还是加压烘焙,随着温度的升高,烘焙脱氧效率提高,玉米秆的能量密度增加。在相同烘焙温度下,加压烘焙脱氧效率远高于常压烘焙,在相同质量收率时,加压烘焙所需温度低于常压40℃左右。加压烘焙的能量收率、碳收率、脱氧效率以及烘焙产物的能量密度分别是常压烘焙的1.125倍、1.142倍、1.539倍和1.131倍,而平衡吸水率只有常压烘焙的73.9%,可见,加压烘焙对生物质燃料的提质效果明显优于常压烘焙。在碳的结构方面,相同质量收率下,加压烘焙的玉米秆石墨化程度较高,大环芳香烃比例有所增加。在固定床热解实验中发现,相比于常压烘焙,加压烘焙后的玉米秆热解气相产物中CH4和H2的含量提高,在250℃烘焙后达到最大值14.06%和40.02%,液相产物中酚类物质相对含量增加,最大可达51.11%,而呋喃类和酸类含量则明显下降。湿式烘焙产生的水相产物洗涤对碱金属和灰分的脱除效果明显优于水洗,经过260℃湿式烘焙水相产物洗涤后,玉米秆中K、Ca、Na、Mg以及灰分脱除率分别达到了 95.00%、60.38%、100.00%、73.08%和51.30%。在热解实验中发现,洗涤后的生物质液相产物和气相产物产率增加,热解液相产物组分中酚类和糖类含量增加而酸类减少,气相产物中CH4含量明显增加。热重曲线上表现为最大失重速率峰向高温区移动,最终热解剩余固体减少。对于仅进行烘焙的样品,随着烘焙温度的升高,热解固体产物产率增加,液相和气相产物产率减小,液相产物中酚类含量增加而酸类含量下降,糖类含量在180℃烘焙后达到最大值4.23%,热解气体产物中CO含量减少而CH4含量增加。相对于单独湿式烘焙,联合预处理可以进一步增加热解液相产物和气相产物产率,减小生物质炭的产率,液相产物中酚类含量显著增加。
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