生物质三组分燃烧特性及动力学研究开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

随着全球经济和工业的迅速发展,能源可持续发展已经各国首要考虑的问题。人类的诸多活动如做饭、取暖、制造、发电和交通运输等都需要能源的支持,因此能源供应是现代社会的基本需求。大部分能源的供给来源于燃料的燃烧,由于化石燃料消耗殆尽,开发清洁可再生燃料已经迫在眉睫。

植物通过光合作用将太阳能转化为化学能并存储在生物质中,这种形式的能量成为生物质能,它是以生物质为载体的能量。人类很早就开始使用生物质来满足日常生活中的能源需求,尤其是在农村地区,它往往是唯一可获得和负担得起的能源。生物质能源是当今能源的重要组成部分之一,它可以减少我们对传统化石燃料产品的依赖。目前,在世界能源消耗中,生物质占总能耗的14%,是全球第四大能源。生物质是许多发展中国家的主要能源,这一比例高达20%至33%,但对工业化国家来说,生物质约占总能源供应的9%至14%。在发展中国家的较贫困地区,很大一部分居民采用生物质燃料来烹饪和取暖,而不是用于商业目的。通过一些化学、物理和生物转化过程,生物质可以转化为固体、液体和气体燃料。当今,生物质能源被广泛应用于工业化国家的发电、运输燃料和重工业热能生产等。

生物质燃料分布范围广、资源丰富,它可通过植物的光合作用进行再生产且转化和利用技术多种多样。现阶段已有诸多生物质利用技术应用于生产实践中。包括生物质与煤共燃技术、生物质气化技术、生物质热解技术等。同时,就环境问题而言,生物质能源有较好的利用前景。生物质利用过程中具有CO2零排放特性,而且生物质中硫、氮等元素含量较低,燃烧后产生的污染有害气体和灰尘排放量比化石燃料小得多,因此应用生物质能源可有效的保护环境。此外,生物质能源主要来源于木材及其废弃物(64%),其次是城市固体废弃物(24%)、农业废弃物(5%)和垃圾填埋气体(5%)。秸秆焚烧、城市垃圾处理不仅使大量的生物质能源未得到有效利用,而且造成了环境污染问题。加强对合理利用生物质能源的研究,不仅可以缓解能源危机,还可以有效地解决垃圾处理问题,并循环利用一些废弃物,达到节能的效果。只有深入研究生物质的燃烧特性,才能更有效地燃烧利用农业生物质,使生物质的能源利用率达到最高,从而解决能源供应不足的问题。同时,生物质主要由3组分组成,它们占据了生物质90%以上的质量。因此研究生物质燃料的燃烧特性,就得了解生物质三组分的燃烧特性。

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2. 国内外研究现状分析

目前,我们已掌握了许多有关生物质燃料燃烧方面的物理、化学机理,并在有些方面进行了计量。但是,对于生物质燃料的直接燃烧尚未达到完全了解的程度。国内对生物质燃烧特性的研究较多,本文将对部分研究进行分析与总结。

刘建禹等认为生物质燃料的燃烧过程可分作:预热、脱水、挥发分析出和焦碳燃烧等过程,其中产生火焰的燃烧过程主要包括两个阶级:即挥发分析出燃烧和焦碳燃烧,前者约占燃烧时间的10%,后者则占90%[3]。生物质燃料具有结构松散和挥发分含量高的特点,因此其挥发分析出时间较短,若不能及时供应空气,将会导致燃料的不完全燃烧,产生黑色排烟。同时,挥发分燃烧完全时,剩余的焦炭较疏松,易被运动的气流裹入烟道形成黑絮,因此要避免燃烧室内通风速度过高。此外,挥发分完全燃烧后产生的灰烬会覆盖在焦炭的表面,导致空气较难渗透到焦炭表面,造成灰烬中残留焦炭。因此为了提高焦炭的利用率,要适当进行捅火或加强炉蓖的通风。

闵凡飞等采用淮北平原的小麦秸秆和玉米芯作为实验样本,然后通过TG-DTG-DTA热分析联用技术来研究它们的燃烧模式和燃烧特性。他们指出在含氧气氛中,燃料燃烧转化的路径有三种,第一种是燃料先热解,生成挥发分和固定碳, 然后挥发分和固定碳着火燃烧,第二种是热解生成物同时发生多相氧化燃烧并产生相应的燃烧产物,第三种介于第一种与第二种燃烧模式之间[4]。本实验采用微分热重技术来研究其燃烧动力学路径,由DTG曲线可知,小麦秸秆是典型的第 二种燃烧模式,而玉米芯的燃烧是第三种模式。因此可以得出,不同的生物质燃料具有不同的燃烧模式,不能一概而论,要对其燃烧特性进行具体的分析。闵凡飞等人采用热分析联用技术对2种生物质进行了TG-DTA-DTG综合分析,实验结果表明两种生物质的最大脱水速率所对应的温度相差不大,这说明了这两种生物质所含水量相近。同时,着火温度方面,小麦秸秆低于玉米芯,说明小麦秸秆更易着火。此外,燃尽温度方面,小麦秸秆高于玉米芯, 说明小麦秸秆的燃尽特性比玉米芯差,主要原因是小麦秸秆含有更多灰分。在燃烧速率方面,小麦秸秆的挥发分和固定碳燃烧速率都大于玉米芯,这是由于小麦秸秆的着火温度较低和其中 含有较多的灰分对其燃烧有催化作用。从综合燃烧特性指数来看,小麦秸秆的燃烧特性指数大于玉米芯,可见小麦秸秆的燃烧特性要比玉米芯更好。闵凡飞等人对样本生物质的燃烧动力学性质进行分析,结果表明在挥发分释放和燃烧阶段,小麦秸秆的活化能大于玉米芯,但是由于其它因素的影响,小麦秸秆的着火燃烧更容易发生。两种生物质在固定碳燃烧阶段的活化能相差不大,因此生物质的燃烧动力学性质主要与挥发分释放阶段有关。

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3. 研究的基本内容与计划

研究内容:(1)综述当前生物质尤其是木质纤维素类生物质燃烧研究现状,综述纤维素、半纤维素和木质素燃烧国内外相关研究进展;(2)学会并熟练操作使用元素分析、工业分析、发热量分析、灰熔点分析及热重分析等相关设备及分析方法,选取微晶纤维素、木聚糖和碱性木质素为实验研究对象,分析其转化过程及相关动力学特征。

研究计划:(1)开题阶段(2019.1.20前):根据指导教师所给课题,初步确立设计方向。

学生查阅与毕业论文(设计)相关的文献,作为设计的重要依据。

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4. 研究创新点

本课题采用微晶纤维素、木聚糖、碱木素3种原料进行生物质三组分的燃烧特性研究。如今对各类生物质的燃烧特性研究已经较为深入,但对于生物质三组分的研究却较少,本文通过对这三组分的TG-DTG曲线进行分析,从而对其燃烧特性和燃烧动力学进行研究。

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