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1、湘潭大学 硕士学位论文 生物质燃料燃烧新工艺与机理研究 姓名：罗婕 申请学位级别：硕士 专业：环境工程 指导教师：田学达 20050501 ABSTRACT The biomass are a kind of renewable cleaning energy. Comparing with routine fossil energy, it have some advantages such as less sulphur, ash and CO2 of emission. The energy density of biomass is low, so it is discarded in
2、 a large amount. Developing biomass energy is of great significance in environmental protection. Two kinds of common biomass, rice bran and saw-dust, which are common wastes in Southern China, were taken as the research object. The thermogravimental results of pyrolysis process for rice bran and saw
3、-dust have been presented. TG(thermograviment) and DTG (differential thermograviment) analysis techniques are adopted to investigate the pyrolysis behavior of rice bran and saw-dust. The experimental results indicated that there is important effects of heating rate on pyrolysis process. First-order
4、kinetic Model of bi-component separate-stage (BSKM-O1), which well performs the combustion process of rice bran and saw-dust, was proposed. The kinetic parameters of the two kinds of biomass pyrolysis were obtained according to the experimental data. These conclusion are useful for the utilization o
5、f the rice bran and saw-dust . One solid oxidant M001 was developed and used in this paper. TG and DTA (difference thermal analyse)were carried out to investigate the improvement of the two biomasss samples combustibility when add the solid oxidant M001. DTA experimental results indicate that adding
6、 solid oxidant M001 can improve the two biomass fuels exothermic amount of the combustion process, its improve proportion are: rice bran 1.6 times, saw-dust 2.1 times. TG experimental results showed that M001 can improve the velocity of pyrolysis-combustion process 生物质燃料燃烧新工艺与机理研究 1 提提 要要 矿物质能作为人类社会
7、可持续发展战略的重要因素， 在供应与 利用方面存在着许多不可忽视的问题，其大规模利用，使燃料中存 在的有害物质随着燃烧过程释放进入环境， 包括烟尘、 灰粒、 NOX、 SOX、CO、CO2等。这些排放物严重污染环境，是目前影响全球环 境的酸雨、 “温室效应”等的主要原因，危害着人们的健康、动植 物的生长，甚至整个生态系统的平衡。因此，开发和利用新能源和 可再生能源替代化石燃料已得到全球的高度重视。 而生物质能因具 备产量巨大，分布广泛和环保效果明显等突出优点而倍受关注。 生物质在生长过程中通过光合作用吸收 CO2， 在作为能源利用 过程中，所排放的 CO2被光合作用吸收，因此其总体利用过程 C
8、O2 的排放量要比矿物燃料少 90%左右。生物质还具有挥发组分高、硫 和灰份含量低的优点， 其中对生态环境有害的硫和灰份的含量仅为 中质烟煤的 1/10 左右。因此，生物质是一种清洁能源，开发利用 生物质能，对于环境保护有着巨大意义。本文先在参考大量文献的 基础上总结了生物质能利用的主要途径。 一、直接燃烧技术 直接燃烧大致可分为炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾焚烧和固型燃 料燃烧四种情况。炉灶燃烧是生物质能最原始的利用方法，也是我 国目前生物质能利用的主要方法，效率最低。锅炉燃烧采用现代化 锅炉技术， 适用于大规模利用生物质， 效率高且可实现工业化生产。 垃圾焚烧就是采用锅炉技术处理垃圾。 固型燃料
9、燃烧是把生物质固 化成型后再采用传统的燃煤设备燃用，但运行成本较高 二、物化转换技术 物化转换又称热化学转化，包括干馏，气化制生物质燃气和生 物质液化。干馏、气化和液化这三种工艺分别以生产木炭，生产 燃气和生产热解油为目的。 实际上热化学转化的每种工艺都会同时 得到这三种产物， 只不过各种工艺通过对工艺参数的控制尽可能多 生物质燃料燃烧新工艺与机理研究 2 的得到某种产品。 干馏技术同时生产生物质炭和燃气，可以把能量密度低的生物质转化为热值较高的 固定炭和气。干馏技术设备简单，可以生产炭和多种化工产品，但其利用率较低，且只 适用于木质生物质的特殊利用。 生物质热解气化是通过生物质机体中的大分子
10、结构在高温下 分解、断裂或重整而产生轻质可燃气体。气化技术将生物质转化为 气体燃料不仅可以提高利用效率，且用途广泛。但气化系统复杂， 生成的燃气必须有配套的利用设施。 将固体生物质转化为液体燃料，称为生物质液化，分为直接液 化、间接液化和热裂解三种，均以得到液体燃料为目的。直接液化 是将生物质加一定的溶剂和催化剂放在高压釜中， 通入氢气或惰性 气体，在适当的温度和压力下将生物质直接液化的技术。间接液化 是先将生物质转化为合成燃料气体(CO和H2)， 再通过催化剂在高温 下催化合成碳氢液体燃料的过程。裂解是在无氧或缺氧条件下，利 用高温使生物质大分子中化学键发生断裂， 释放出有机挥发分的过 程。
11、生物质液化技术可以把生物质制成油品燃料以替代石油产品， 但技术复杂，目前成本仍然太高。 三、生化转换技术 生化转换技术利用生物化学过程将生物质原料转变为优质气 态或液态燃料，根据工艺过程主要可分为两类： 一是厌氧发酵。富含碳水化合物、蛋白质和脂肪的生物质在厌 氧条件下，经过多种厌氧和兼性厌氧的微生物的协同作用生成沼 气、消化液和消化污泥，这个过程就叫厌氧发酵或沼气发酵。二是 特种酶技术。此法是利用生物技术把生物质发酵转化为乙醇，以制 取液体燃料。 这种利用技术可以使生物质变成清洁燃料， 拓宽用途， 提高效率，但转换速度太慢，投资较大，成本相对较高。 从目前国内外生物质能利用现状及发展情况来看，
12、 生物质能利 用商业化程度仍然很低， 生物质能转换技术的商业化发展过程仍然 面临众多的障碍和问题，概括而言，这些障碍和问题主要来自经济 因素。因此，当前生物质能开发的重点在于开发出经济性合理的应 生物质燃料燃烧新工艺与机理研究 3 用工艺， 使生物质这种清洁的可再生能源成为最便宜最有竞争力的 能源之一。 本课题以我国南方常见的两种生物质废弃物米糠和木屑 为研究对象，联用动态热重分析（TG）和微商热重分析（DTG） 分析了其热解基本规律和特性： 米糠和木屑的失重过程表现出共同的特征， 主要体现在两试样 的失重过程都分为三步进行。 第一步失重过程是由于试样失水引起 的，不属于本试验研究范围。第二步
13、失重过程缓慢的至 210左右 开始发生，并在 350左右很快的结束，主要是由于半纤维素和纤 维素的热解引起的。 第三步失重过程紧接着第二步失重， 直到 490 左右结束，主要为木质素的热解所控制。整个热解过程中米糠和木 屑试样的总体失重分别达到 86.8%和 89.7%。 米糠和木屑两种试样的热解失重行为在空气气氛中表现出明 显的差异，具体表现在以下几方面： （1）米糠的固体残留质量百分 数总比木屑试样的相应百分数高，这表明从总体上来说，米糠试样 相对于木屑试样具有较高的难挥发组分含量。 （2）米糠试样的最大 反应速率温度 Tm和最终热解温度 Tf均略低于木屑试样，可见，米 糠试样相对于木屑试
14、样具有较低的热稳定性。 （3）米糠试样在较低 温区的 DTG 峰值高于木屑试样的相应 DTG 峰值， 而在高些的温度 区间内， 米糠试样的另一 DTG 峰值则比木屑试样的相应 DTG 峰值 要小一些。 可见， 在较低温区米糠试样的热解速率要快于木屑试样； 而在较高温区，木屑试样的热解速率要快于米糠试样的热解速率。 本文通过热分析试验和动力学分析建立了米糠和木屑热解反 应动力学模型。 米糠试样较低温度区间热解过程： )1)(/060.16exp(1064. 8 7 aT dT da = 米糠试样较高温度区间热解过程： 生物质燃料燃烧新工艺与机理研究 4 )1)(/736.11exp(1099.
15、5 2 aT dT da = 木屑试样较低温度区间热解过程： )1)(/613.15exp(1068. 1 7 aT dT da = 木屑试样较高温度区间热解过程： )1)(/429.13exp(1006. 4 3 aT dT da = 本文中的模型将生物质的总体失重过程认为是由两种组分分 别在较低和较高的两个分离的温度区间内发生的失重过程依次构 成的，是一种双组分分阶段反应模型，比单组分全局反应模型更符 合化学动力学机理，比多组分全局反应模型简便得多。 通过动力学分析的检验，本文建立的一级反应模型优于零级， 二级和三级模型， 是描述米糠试样和木屑试样整个热解失重过程的 最佳模型。 米糠和木屑
16、作为燃料直接燃烧的着火性能、燃尽性能均不理 想，热解-燃烧速度也较低，因此单独将米糠或木屑作为燃料直接 燃烧获取热能并不是一种理想的利用方式。 本文提出了一种可显著 改善生物质试样燃烧性能的固体氧化剂 M001，并通过动态热重分 析（TG）和差热分析（DTA） ，考察了固体氧化剂 M001 对米糠试 样和木屑试样燃烧性能的改善作用。 运用差热分析， 证明在生物质燃料中添加固体氧化剂M001后， 混合物热解-燃烧过程的放热量明显高于这两种生物质燃料单独存 在时的放热量，其提高比例分别为：米糠 1.6 倍，木屑 2.1 倍。通 过热重试验可以看出，添加 M001 能较大程度的提高米糠和木屑试 样的热解-燃烧速度，并使木屑的燃烧过程更集中，但在生物质燃 料中加入 M001 不能显著降低其着火温度。 综合差热分析和热重分析的试验结果，可以看出，在生物质燃 料中加入固体氧
