生物质热解特性影响因素研究【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 生物质热解特性影响因素的研究 设计说明书 学生姓名 学 号 所属学院 专 业 班 级 指导教师 日 期 塔里木大学教务处制 12 届毕业论文 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 前 言 随着现代社会的发展和进步，人们对能源的需求量也越来越大。我国经济快速发展的同时也带来了环境污染、能源危机、能源安全等诸多问题，基于这些问题我国提出了可持续发展战略，寻求一种清洁的、可再生的新能源迫在眉睫，因此我们开始了生物质能方面的研究。生物质能是可再生能源的重要组成部分，储量巨大， 其开发利用可以解决能源短缺，改善环境，而生物质热解制备生物油技术是生物质能利用的重要途径。 生物质热解产物有生物质炭、生物质油和可燃性气体等，生物质炭和可燃性气体可以作为燃料提供能量，生物质油可以经过提纯得到化学原料等。另外生物质热解为我国农作物秸秆和畜禽粪便的处理提供了一条很好的途径。所以，我们研究生物质热解影响因素就很有必要。在现有实验条件的基础上，对棉秆等生物质原料进行生物质热解，从而得到对生物质热解有影响的因素，为生物质热解及生物质能源开发提供一些资料。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 前 言 1 生物质概述及生物质热解原理介绍 . 1 物质概述 . 1 物质热解实质 . 1 2 生物质热解实验介绍和装置改进 . 1 物质实验装置 . 1 物质实验装置介绍 . 1 物质热裂解装置工艺流程 . 2 物质热解装置操作规程 . 2 验操作过程 . 2 验操作规程 . 2 验装置改进 . 2 3 生物质实验数据分析处理 . 4 验条件 . 4 验数据处理及结论分析 . 4 秆实验数据分析结果 . 4 末实验数据分析结果 . 5 种生物质原料热解比较 . 7 醋液转化情况 . 8 4 实验方法设计 . 8 解影响因素 . 8 度 . 8 物质材料的影响 . 8 力对生物质热解的影响 . 8 物质粒径的影响 . 8 化剂的影响 . 8 验方法设计 . 8 结论 . 13 致 谢 . 14 参考文献 . 15 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 生物质概述及生物质热解原理介绍 生物质是指任何可再生或可实现循环利用的有机物，通常以可持续方式由水和二氧化碳经光合作用产生。其主要属性有：有机物、通常被废弃、可再生性、可循环利用。 从化学反 应的角度对其进行分析， 生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反应，包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。木材、林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。热重分析结果表明，纤维素在 52 时开始热解，随着温度的升高，热解反应速度加快，到350 370 时，分解为低分子产物，其热解过程为： (n6 2O+2222O1 半纤维素结构上带有支链，是木材中最不稳定的组分，在 225 325 分解，比纤维素更易热分解，其热解机理与纤维素相似 2。 从物质迁移、能量传递的角度对其进行分析，在生物质热解过程中，热量首先传递到颗粒表面，再由表面传到颗粒内部。热解过程由外至内逐层进行，生物质颗粒被加热的成分迅速裂解成木炭和挥发分。其中，挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。在多孔隙生物质颗粒内部的挥发分将进一步裂解，形成不可冷凝气体和热稳定 的二次生物油。同时，当挥发分气体离开生物颗粒时，还将穿越周围的气相组分，在这里进一步裂化分解，称为二次裂解反应。生物质热解过程最终形成生物油、不可冷凝气体和生物质 炭 3， 4。 2 生物质热解实验介绍和装置改进 图 2物质热解实验装置买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 如上图所示，首先将生物质原料放入热解炉 3 中，然后将热解炉盖 7 盖好，管路连接好，热解炉盖上的螺栓 6 拧紧，确保密封良好，再将安全阀 9 盖抹上甘油以便到达密封的目的；合上电控箱左侧面上的 空气开关 13，并设置温控表加热的最终温度（最好不要超过 550），启动电控箱 18 上的加热按钮，观察炉内的温度变化及管路上排烟情况，烟气由热解炉上的排气管路经冷凝器冷却后，气体由排气阀 15 排空或在出口处点燃（注意出口处放一个钢丝球，这样气体燃烧效果会很好），烟气中的木醋液经冷凝后留存于冷凝器底部，生物质炭存留在热解炉内。 冷凝器注水装料接通电源加热炭化煅烧断电冷却出炭。 1）冷凝器注水：将冷凝器进、出水阀打开，将冷凝 器灌满水，然后关闭阀门。 2）装料：将生物质原料切段放入热解炉内并摆放好，然后将热解炉盖 7 盖好，管路连接上，将安全阀盖 9 抹上甘油盖好，以便密封良好；再将螺栓 6 拧紧，确认密封良好。 3）接通电源加热：接通电源后，设置温控表，确定热解炉加热的最终温度（最好不要超过 550600），再按电控箱上的启动按钮，观察炉内的温度变化： 干燥阶段：温度范围（ 150），在这个阶段中，生物质热分解进行得非常缓慢（由于本装置热电偶测的温度只是炉底中间的一点，不能反映接近炉壁的温度，而秸秆的密度很小，在加热过程中靠近炉壁的秸 秆温度升的很快，所以温控表显示的温度在 150内，就发生了化学组成的变化，即已经开始裂解反应了）化学组成几乎没变化，主要是水分蒸发。烟的颜色为白色。 预炭化阶段：温度范围（ 150 270），在这个阶段中，生物质化学组成开始变化，热分解反应比较明显， 220时半纤维开始分解生成 O， 270开始分解生成醋酸、焦油，干燥阶段与预炭化阶段主要由外界供给能量。烟的颜色渐浓呈淡黄色。 炭化阶段：温度范围（ 270 360），在这个阶段中，生物质急剧的热分解，生成大量的分解产物，气体的组成中 减少， 体产物含有大量的醋酸、焦油、甲醇。放出大量的反应热（炉内温度迅速上升）。烟由淡黄色变为深黄。 炭煅烧阶段：温度范围（ 360 500），在这个阶段中，生物质炭进行煅烧，排除残留在炭中的挥发物，使炭密度增加、强度增大、表面光泽。这个阶段生成的液体产物已经很少。烟由黄色变清，间有黄烟出现，待排除的烟气完全为清烟时，即为煅烧。 4）断电：炭煅烧阶段结束后，将电源切段，稍后关闭排气阀门，进入下一阶段。 5）炭冷却阶段：温度范围内， 500 30，从热解温度冷却到 30左右。 6） 出炭：待热解炉内温度降至 30左右，即可打开热解炉的封头，将炭拿出炉外。 7）出木醋液：将木醋液阀门 20 打开，排出冷凝器底部留存的木醋液。此时即为一个周期结束。 图 2物质热解实验装置 设备有几处不合理之处：买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 1）由于金属管 10 过于短小，致使热解炉盖 7 转动角度偏小，热解炉 3 的取料开口过小，加取料工具进出热解炉不方便，导致进料和出料困难。 2）冷凝器 12 注水时，由于冷凝器上没有水位显示装置，所以要先同时打开进水阀 19 和出水阀 11，待出水阀 11 处有水流出时，关闭出水阀 19，之后一 段时间关闭进水阀 19，以保证冷凝器 12 注满水。 改进方案： 针对 1 的改进方案有三种： 1）加长金属软管 10，扩大热解炉的开口，方便加取料工具进出热解炉 3。 2）制作专门的加取料工具，方便加取料。 3）将热解炉 3 进行改进，将热解炉设计为水平加取料的。 实施改进方案 1 时只需加工时将金属软管长度增长就可以了。实施改进方案 2 时将现有的加取料工具缩小就行了。实施改进方案 3 图如下： 图 2解炉改进图 针对 2 的改进方案有二种： 1）在冷凝器 18 上出水阀 20 所在的水平面开观察窗，用来观察冷凝器的水位。 2）在冷凝 器 18 上安装一玻璃管式的连通管，通过连通管来显示水位。 实施改进方案图如下：图 2凝器改进图 改进后的装配图如下图所示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 图 2进后装配图 3 生物质实验数据分析处理 实验材料为棉秆 所使用的实验设备为辽宁省能源研究所 生物质热裂解实验装置，设备型号 热功率12 实验材料： 表 3验用棉秆类别 棉秆类别 杂棉秆 中棉秆 短棉秆 规格 棉秆 (60、棉絮(25、 其他 (5 棉秆 (100%，长度15棉秆 (100%，长度8图 3秆热解升温速率 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 图 3秆升温速率 图 3秆热解升温速率比较 通过比较发现：长度和成分对升温速率的整体趋势的变化影响不大，但达到最高速率的温度段不相同。相比而言，短棉秆达到最高升温速率的温度比中棉秆达到最高升温速率的温度低。分析认为是由于短棉秆相比中棉秆与热解炉有更大的接触面积，所以在热解初期升温速率达到最大。中棉秆则比短棉秆升温速率滞后一些。而成分对升温速率的最大值影响较大， 分析原因，是因为杂棉秆成分较复杂，各种成分导热、升温特性都有很大差异，所以影响了最高升温速率。 另外，在拟合曲线时当对整个热解过程进行分析时，拟合曲线是六次多项式；但当对 150度段进行拟合时，其拟合曲线为二次式，说明在热解中期其反应较稳定。 生物质炭转化率 通过用不同长度棉秆进行实验，中长棉秆（ 10 15 厘米）和杂棉秆（棉秆长短不一）进行热解实验后生物质炭转化率均为 40%，而用短棉秆（ 5 8 厘米）进行热解试验后生物质炭转化率下降为 35%。由此，可得棉秆成分对生物质炭的转化率影响不大，而棉秆长度对 生物质炭转化率有一定影响。 实验材料： 表 3实验用锯末类别 锯末类别 含水率 成分 来源 锯末 1 10% 秸秆 实验室配置 锯末 2 15% 树木 建筑工地 锯末 3 10% 树木 建筑工地 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 图 3种锯末热解升温速率 图 3种锯末热解升温速率比较 图 3种锯末热解升温速率 图 3种锯末升温速率比较 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 通过比较发现：锯末 1 和锯末 2 两种锯末热解对升温速率的影响差异比较大，并且达到最高升温速率的温度段也不一致。生物质热解释放大 量的热，导致升温速率的变化，实验中，发现在用不同物质的锯末进行生物质热解实验时，其对升温速率的影响不尽相同，原因是生物质原料不同，其中所含的纤维素及半纤维素含量有很大差异，所以放热程度和放热时刻有很大差异，因此才产生了如图所示的实验结果。 另外，还不难发现，升温速率的的整体趋势是一致的，都是先升高，达到最高值，再降低。这和生物质热解进程是一致的，刚开始热解进行初期，主要是热解炉自身升温和传热阶段，生物质在这一阶段热解反应不太明显，生物质原料开始热解时，开始放出大量的热，此时温度急剧上升，升温速率达到最大。热 解后期，生物质炭结构发生变化，主要是密度和强度变化，生物质热释放量很少，此时升温速率下降。 图 3生物质炭质量 图 3物质炭转化率 通过对同一种锯末进行热解实验得到生物质炭，当生物质原料质量增加时，生物质炭量也随之增加，两者之间呈线性关系，且线性关系显著。从图 3以看出，生物质炭转化率主要集中在 19间。 图 3种生物质原料热解升温速率比较 对两种不同颗粒度的生物质原料热解进行比较发现：两者生物质热解有很大差异。首先对升温速率买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 的影 响极其不一致；其次达到最高升温速率的温度段也不相同，棉秆最高升温速率出现在 250左右，而锯末最高升温速率则出现在 150附近；另外，最高升温速率也有差异，棉秆最高升温速率为 30 /末最高升温速率为 37 /两种生物质的拟合曲线可以很清楚地看出其热解反应的差异。 实验材料：棉秆 图 3木醋液转化情况 从上图可以看出，随着生物质质量的增加，所得到的木醋液体积呈线性增加，并且拟合曲线拟合度良好，相关系数平方 实验方法设计 经过查阅大量文献发现 影响热解的主要因素包括化学和物理两大方面。化学因素包括一系列复杂的一次反应和二次反应；物理因素主要是反应过程中的传热、传质以及原料的物理特性等。具体的操作条件表现为：温度、物料特性、催化剂、滞留时间、压力和升温速率 10。 度 在生物质热解过程中，温度是一个很重要的影响因素， 它对热解产物分布、组分、产率和热解气热值都有很大的影响。生物质热解最终产物中气、油、炭各占比例的多少，随反应温度的高低和加热速度的快慢有很大差异。一般地说，低温、长期滞留的慢速热解主要 用于最大限度地增加炭的产量，其质量产率和能量产率分别达到 30%和 50%（质量分数） 11 13。 温度小于 600 的常规热解时，采用中等反应速率，生物油、不可凝气体和炭的产率基本相等；闪速热解温度在 500 650 范围内，主要用来增加生物油的产量，生物油产率可达 80%（质量分数）；同样的闪速热解，若温度高于 700 ，在非常高的反应速率和极短的气相滞留期下，主要用于生产气体产物，其产率可达 80%（质量分数）。当升温速率极快时，半纤维素和纤维素几乎不生成炭 5。 生物质种类、分子 结构、粒径及形状等特性对生物质热解行为和产物组成等有着重要的影响。不同生物质的活化能不同，导致热解反应难易程度不同，活化能较高的生物质原料热解时需要更多的热量才能使其分解 67 。 加压条件下生物质热解反应更容易进行，压力对生物质热解的影响比速度的影响大。加压条件下，生物质热解有更好的经济型 8 。 生物质粒径的大小是影响热解速率的决定性因素。粒径在 1下时，热解过程受反应动力学速率控制，而当粒径大于 1，热解过程中还同时受到传 热和传质现象的控制。大颗粒物料比小颗粒传热能力差，颗粒内部升温要迟缓，即大颗粒物料在低温区的停留时间要长，从而对热解产物的分布造成了影响。 随着颗粒的粒径的增大，热解产物中固相炭的产量增大。从获得更多生物油角度看，生物质颗粒的尺寸以小为宜，但这无疑会导致破碎和筛选有难度，实际上只要选用小于 1生物质颗粒就可以了。 化剂的影响 催化剂对生物质原料进行处理，可以促进纤维素和半纤维素等大分子的解聚，同时可能发生糖分子机构单元上羟基和氢原子的裂变或歧化反应，而对木质素结构热解的催化效应并不显著 9 。 生物质热解实验影响因素 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 表 4物质热解实验影响因素 因素 水平 升温速率 ( /材料 压力 径 (催化剂 1 2 3 4 10 20 30 40 棉秆 枣枝 牛粪 锯末 1 2 3 4 10 5 1 1 无 酸性 碱性 中性 试验指标：生物质炭转化率 (%)，木醋液产量 (气体量 ( 因素： A 升温速率； B 材料； C 压力； D 粒径； E 催化剂 经分析，实验为 5 因素 4 水平实验，选用正交表 5). 表 4水平正交表 列号 试验号 1 2 3 4 5 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 3 1 3 3 3 3 4 1 4 4 4 4 5 2 1 2 3 4 6 2 2 1 4 3 7 2 3 4 1 2 8 2 4 3 2 1 9 3 1 3 4 2 10 3 2 4 3 1 11 3 3 1 2 4 12 3 4 2 1 3 13 4 1 4 2 3 14 4 2 3 1 4 15 4 3 2 4 1 16 4 4 1 3 2 具体实验时将实验因素和水平对照起来，填入上表得到正交试验设计表 表 4交试验设计表 列号 试验号 A B C D E 试验指标 生物质炭转化率 (%) 木醋液产量(气体量(1 1 1 1 1 1 a1 a2 1 2 2 2 2 b1 b2 1 3 3 3 3 c1 c2 1 4 4 4 4 d1 d2 2 1 2 3 4 e1 e2 2 2 1 4 3 f1 f2 2 3 4 1 2 g1 g2 2 4 3 2 1 h1 h2 3 1 3 4 2 i1 i2 0 3 2 4 3 1 j1 j2 1 3 3 1 2 4 k1 k2 2 3 4 2 1 3 l1 l2 3 4 1 4 2 3 m1 m2 4 4 2 3 1 4 n1 n2 5 4 3 2 4 1 o1 o2 6 4 4 1 3 2 p1 p2 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 本实验为多指标实验，分析时采用综合平衡法，本实验具体分析过程如下 表 4物质炭指标分析表 列号 /试验号 A B C D E 各试验指标的实验结果 生物质炭转化率 (%) 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 3 3 3 3 1 4 4 4 4 2 1 2 3 4 2 2 1 4 3 2 3 4 1 2 2 4 3 2 1 3 1 3 4 2 0 3 2 4 3 1 1 3 3 1 2 4 2 3 4 2 1 3 3 4 1 4 2 3 4 4 2 3 1 4 5 4 3 2 4 1 6 4 4 1 3 2 物质炭转化率(%) 11 13 15 21 23 25 31 33 35 41 43 45 k1 k2 k3 k4 差 a b c d e 优方案 说明：定义 i、 j 分别为行和列号， Ki(i=1,2,3,4)表示第 i 行的计算结果。 i=1,2,3,4； j=1,2,3,4,5)表示第 j 列正交表中等于 i 所在行对应的指标值相加，如：b1+f1+j1+e1+f1+g1+. 极差 =优方案选择时根据指标来选择，如果实验要求指标值越大越好，那就对应选择 i 水平作为优 方案。如，假如 么优方案就为 果实验要求指标值越小越好，那就对应选择 i 水平作为优方案。如，假如 么优方案就为 五个因素的优方案都得到后，按照从大到小的顺序排列出来，意思是将对指标结果影响最大的因素放到第一位。 其他两个指标对应的分析如下：表 4醋液产量指标分析表 列号 /试验号 A B C D E 各试验指标的实验结果 木醋液产量(1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 3 3 3 3 1 4 4 4 4 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 5 2 1 2 3 4 2 2 1 4 3 2 3 4 1 2 2 4 3 2 1 3 1 3 4 2 0 3 2 4 3 1 1 3 3 1 2 4 2 3 4 2 1 3 3 4 1 4 2 3 4 4 2 3 1 4 5 4 3 2 4 1 6 4 4 1 3 2 物质炭转化率(%) 11 13 15 21 23 25 31 33 35 41 43 45 k1 k2 k3 k4 差 a b c d e 优方案 表 4体量指标分析表 列号 /试验号 A B C D E 各试验指标的实验结果 气体量 (1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 3 3 3 3 1 4 4 4 4 2 1 2 3 4 2 2 1 4 3 2 3 4 1 2 2 4 3 2 1 3 1 3 4 2 0 3 2 4 3 1 1 3 3 1 2 4 2 3 4 2 1 3 3 4 1 4 2 3 4 4 2 3 1 4 5 4 3 2 4 1 6 4 4 1 3 2 物质炭转化率(%) 11 13 15 21 23 25 31 33 35 41 43 45 k1 k2 k3 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 k4 差 a b c d e 优方案 三个表格计算完成后，得到三组优方案，再综合三组方案进行分析，得到最优方案，得出结论。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 结论 生物质热