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【技术分享】生物质成型燃料化学实验分析

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【技术分享】生物质成型燃料化学实验分析

【概要描述】生物质对提高能源利用率和缓解环境污染具有非常重要的作用。以松木、棉柴、花生壳和玉米秸秆这4种典型生物质成型燃料为实验材料,分析其化学特性。结果表明:当原料配比为80%松木+20%花生壳或玉米秸秆时,生物质成型燃料燃烧效率最高,其研究结果可为生物质燃料的高效清洁燃烧提供理论依据。

【技术分享】生物质成型燃料化学实验分析

【概要描述】生物质对提高能源利用率和缓解环境污染具有非常重要的作用。以松木、棉柴、花生壳和玉米秸秆这4种典型生物质成型燃料为实验材料,分析其化学特性。结果表明:当原料配比为80%松木+20%花生壳或玉米秸秆时,生物质成型燃料燃烧效率最高,其研究结果可为生物质燃料的高效清洁燃烧提供理论依据。

  • 分类:新闻资讯
  • 发布时间:2019-04-25 06:10
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刘晓,杨晓辉,李现奇,赵斌

(华北理工大学,河北唐山063200)

摘要:生物质对提高能源利用率和缓解环境污染具有非常重要的作用。以松木、棉柴、花生壳和玉米秸秆这4种典型生物质成型燃料为实验材料,分析其化学特性。结果表明:当原料配比为80%松木+20%花生壳或玉米秸秆时,生物质成型燃料燃烧效率最高,其研究结果可为生物质燃料的高效清洁燃烧提供理论依据。
引言
经济社会的发展以能源为动力基础,经济发展越快,能源消耗速度越快,其中化石燃料消耗最多。由此带来的后果是大量多余能量以及二氧化碳被排放到周围环境中,破坏了自然界的能量平衡与碳平衡。生物质在能源利用过程中实现CO2的零排放的同时,不仅可以提高工业锅炉的燃烧效率,而且使可燃废物变废为宝,这无疑为缓解环境恶化和能源紧缺现象提供了新的解决思路。因此,提高生物质成型燃料的燃烧效率具有不可忽视的重要性。
 

实验研究

1.1实验原料

  生物质成型燃料可以划分为木质燃料和草本燃料,木质燃料主要有松木、棉柴、木屑等;草本燃料主要有稻草、花生壳、玉米秸秆等。

  文中以唐山市具有代表性的4种典型生物质成型燃料(松木、棉柴、花生壳和玉米秸秆)为实验原料。生物质含有多种成分,其中,构成生物质的3种主要成分含量如表1所示。

在构成生物质成型燃料的化学成分中,纤维素是一种由葡萄糖组成的高分子聚合物,是生物质中的骨架结构,半纤维素也是多种糖的聚合物,木质素则起粘合剂的作用。
 

1.2实验

  1.2.1实验制样

  首先将适量的松木、棉柴、花生壳和玉米秸秆这4种典型生物质成型燃料分别倒人锤式破碎缩分机中进行初步破碎,物料粒度越小越容易反应,反之,粒度越大物料局部反应不完全,容易造成结渣。因此,初步破碎后,仍需分2组在制样粉碎机中研磨120s。最后,分别在标准筛振筛机中振荡筛分180s。其次将研磨筛分后的试样装进贴有标签的试样瓶,制成试样。

  1.2.2实验过程

  由于目前生物质成型燃料的工业分析还没有具体实验标准,因此参照煤的工业分析法对生物质成型燃料进行实验。生物质成型燃料加热至230℃时,首先失去的是其内在所含的水分。在氮气保护的条件下,加热至280℃,此时以气态形式析出的可挥发物称为挥发分,残留的固体物质则称为固定碳。当温度加热至430℃时,通人氧气,固定碳将燃烧生成CO2排放掉,余下的固体则是灰分。

  元素分析中碳、氢、氮元素的含量通过碳氢氮元素测定仪确定,同样参照煤的元素分析方法进行实验。取一定的试样在氧气中燃烧,燃烧所得气体中的H2O和CO2分别用吸水剂和主要成分为氢氧化钠的二氧化碳吸附剂吸收,通过吸水剂和吸附剂的质量变化来计算碳、氢元素的含量。氮元素的含量则是通过氮催化剂使燃烧气体中的氮氧化物完全转换为N2,最后由载气带入热导池进行检测。

  生物质成型燃料发热量的测定方法是在量热仪不锈钢坩埚中放入试样,将盛有试样的坩埚放入充满过量氧气的弹筒内。再将其放进盛有水的椭圆形筒内,最后一同放入双层水套筒中。通过计算水温的变化值及热容量,计算生物质成型燃料的发热量。由于实验所得的原始数据为弹筒发热量,减去硫酸类和硝酸类的形成热后,得到燃料的高位发热量,再减去汽化潜热吸收的热量,最终得到低位发热量。

SDLA618工业分析仪由计算机设备、充气设备等组成,可准确测定生物质成型燃料的水分、灰分、挥发份以及固定碳。

  5E—CHN2000碳氢氮测定仪由计算机设备、充气设备、电子天平等组成,可准确测定生物质成型燃料中碳、氢、氮元素的含量。测定范围为:碳(1~100)%;氢(0—20)%;氮(0—20)%。

  SDC5015量热仪由计算机设备、充气设备、电子天平等组成,可准确测定生物质成型燃料的低位发热量。测温范围为0~50℃;分辨率为0.0001K。

  5E—MF6000智能马弗炉。温度控制为室温~1300℃;燃烧室尺寸为300mm×200mm× 120mm。


结果及分析

2.1实验结果

  按照实验标准要求每种样品的每项指标测量4次,当4次之间的误差不超过2%时,视为数据符合实验要求。对所得数据进行4次平均值处理,最终实验数据如表4、表5所示。

2.2结果分析

  从含水量方面分析,松木的含水量略高于花生壳和玉米秸秆,即随着原料中松木含量的减少,含水量会随之降低。因此,编号4—6的含水量低于编号1~3。从灰分和固定碳含量方面分析,松木的灰分和固定碳含量较花生壳和玉米秸秆低。因此,编号1—6灰分和固定碳含量低于编号7—9。

  从挥发分含量方面分析,松木的纤维素和半纤维素含量较高,而由于纤维素和半纤维素是容易热解的多糖类物质,因此松木的挥发分更容易析出,所以松木的挥发分高于其他3种生物质成型燃料,燃烧更完全。从低位发热量方面分析,低的O/C值意味着高的热值。松木的O/C值较花生壳和玉米秸秆低,低位发热量便高于花生壳和玉米秸秆的低位发热量。即:随着原料中松木含量的减少,低位发热量理论上也会随之降低。从含硫量方面分析,随着原料中花生壳和玉米秸秆含量的增加,样品中的硫含量将呈微弱上升趋势。但硫含量理论上会在0.2%左右,对环境影响较小。而棉柴含硫量较高,因此,编号5和编号6比编号4含硫量低,对环境影响更小。

  综上所述,从燃料品质要求出发,理论上分析得到当松木:(花生壳/玉米秸秆)=8:2的情况下,其燃烧效率最高。

结语

  文中以唐山市4种典型生物质成型燃料为实验原料,由所得的实验结果发现生物质成型燃料挥发分含量较高,灰分含量和含硫量较低。且热值介于13.72~15.08MJ/kg,属于中低热值燃料。并且讨论了当松木与花生壳(或玉米秸秆)配比为8:2的时候,其混合后的生物质成型燃料燃烧效率较理想。研究结果可为唐山地区生物质成型燃料的的高效燃烧以及相关锅炉设备的设计提供数据支撑。

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