生物质成型与烘焙：不同生物质来源的颗粒特性和分析
可再生能源特别是生物质能的使用在当今世界越来越普及。全球颗粒燃料的生产和消费预计将增长，由于生物质资源很少以及可持续性问题，促使研究人员寻找其他可再生能源(如污泥、糠醛渣、农业残渣等)，以满足未来颗粒燃料的需求。由于全球颗粒燃料生产和消费的增长，颗粒燃料制造工业可能面临原料限制等挑战。寻找新能源对于保持原料供应和颗粒燃料生产的可持续性具有重要意义。因此，我们用不同的生物质材料进行了详细的研究。 1)研究了糠醛渣制备清洁、高能量、致密、粒径均匀、形状规整的固体燃料(如颗粒)的可行性，并对糠醛渣颗粒和木质颗粒的质量进行了比较。对于由0.25-0.5mm颗粒制成的FRPs，在130℃、160MPa压力下，其最高颗粒密度为1.430g/cm3，强度大于8MPa，硬度为438.5N/mm-2。相应地，由0.5-1.41mm颗粒制备的FRPs的最高颗粒密度为1.433g/cm3，强度为5.56MPa，硬度为350.2N/mm-2。在相同条件(70-160℃和70-160MPa压力)下，两种粒径制备的FRPs比WPs致密14.8-16.8％，强度高52-74.12和54.2-59.6％，硬度高109-227.8和88-216％。FRPs在130-160℃下的能耗最低，比WPs在相同条件下的能耗分别低4.2-16.3％(0.25-0.5mm)和16.6-31％(0.5-1.41mm)。以合成树脂为粘结剂，在0.25-0.5和0.5-1.41mm的粒径范围内，FRPs的能耗分别降低了12.8-18.78％和10-13.8％。当MC为5.5％时，在200℃下制备的颗粒具有耐水性，最高的耐水率为97.80％。 2)采用污泥(SS)，糠醛渣(FR)和玉米秸(CS)混合制备颗粒工艺，对不同颗粒制备条件和配比下的颗粒的质量进行了表征和分析。以20-40％的SS与FR混合，对糠醛渣污泥颗粒的颗粒密度，松弛密度和真实密度均无明显提高。然而，将以20-80％的SS与CS混合，可以改善玉米秸秆污泥颗粒的密度、强度和硬度。FRSPs-20和CSSPs-40的最高强度分别为7±0.22和13.4±0.12MPa。FRSPs-20和CSSPs-80的最高硬度分别为508±28.1和392±5.96N/mm-2。高温(如200℃)造粒改善了FRSP和CSSP的力学性能。随着污泥比的增加，颗粒制作能耗明显降低，FRSPs和CSSPs在130℃和200℃时能耗最低。混合颗粒的热值高于污泥颗粒。烘焙模型较好地评价了R2≥0.9的FR，SS，CS及其相应混合物的压缩性能。在较低比例(如20％)下使用SS，造粒过程中的气味以及颗粒中的气味均较小。结果表明，SS与FR和CS混合造粒，改善了颗粒特性，降低了颗粒制作的能耗。 3)虽然颗粒化提高了颗粒的质量，但是还存在一些与生物质颗粒相关的问题(如能量密度和疏水性)。造粒后的颗粒再进行烘焙可以解决这些问题。近年来，与造粒相结合的烘焙技术因其增强了颗粒的疏水性和能量密度等特性而越来越受到人们的关注。本文采用管式反应炉对糠醛渣颗粒(FRPs)和锯末颗粒(SPs)进行了烘焙烘焙，并对颗粒质量进行了比较。两种颗粒的特性均随烘焙温度从200℃提高到300℃，停留时间从15min提高到30min而显著改善。在300℃和120min时，TFRPs达到最高低位热值为23.78MJ/kg，最高能量密度比为1.27，TSPs达到最高低位热值为26.76MJ/kg，最高能量密度比为1.46。随着热解温度和停留时间的增加，TSPs的体积能密度由25.69(200℃和15min)增加到27.59kJ/m3(300℃和120min)，而TSPs的体积能密度则由20.81下降到16.69kJ/m3。TFRPs和TSPs的最高真密度(分别为2.40和1.85g/cm3)和孔隙率(分别为52和65v％)分别在300℃和120min时达到，远高于未加热的颗粒。TFRPs和TSPs在300℃下的吸水率分别为1.4wt％和2.0-2.8wt％，表现出较强的耐水性。在相同的工艺条件下，FRPs中纤维素的结晶度高于SPs，而TFRPs中纤维素的结晶度低于TSPs。FTIR分析表明，FRP和SP的O-H键在热处理后均被破坏。 4)采用管式反应器对FRPs，污泥颗粒(SSPs)和糠醛渣污泥颗粒(FRS SPs)进行了烘焙和热解研究。研究了不同工艺条件(温度200-850℃，停留时间15-45min)下颗粒的各种特性，并对颗粒的质量进行了比较和分析。随着温度的升高，FRPs，SSPs和FRSSPs的质量产率和能量产率急剧下降。在300℃和850℃温度下烘焙和热解的FRPs分别获得了24.91MJ/kg和26.76MJ/kg的高位热值，FRSSPs分别获得22.54MJ/kg和23.72MJ/kg的热值。表明，烘焙和热解均提高了颗粒的热值。但是，随着温度的升高，烘焙和热解的SSPs的高位热值略有降低。三种颗粒的颗粒密度和强度均随温度的升高而降低。经浸水试验和两周贮存后，三种颗粒的颗粒尺寸保持稳定，其松弛密度和强度与初始颗粒密度和强度保持一致。烘焙的FRPs(29.83kJ/m3)和热解的FRPs(30.35kJ/m3)的体积能量密度分别高于烘焙的SSPs，FRSSPs和热解的SSPs和FRSSPs。对于三种颗粒，烘焙颗粒的吸湿能力均低于热解颗粒的吸湿能力，表明烘焙颗粒均具有较强的疏水性。烘焙和热解后的颗粒对亚甲基蓝和碘的吸附量均高于未处理的颗粒。烘焙后的FRPs，FRSSPs和热解后的FRPs、FRSSPs中的重金属含量均较低，表明其对环境的危害性不明显。
生物质能;成型工艺;烘焙技术;颗粒特性
北京化工大学
博士
环境科学与工程
刘广青
2020
中文
S216
2020-11-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）