菌糠热解高效利用关键技术研究

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论文字数:**** 论文编号:lw202322490 日期:2023-07-20 来源:论文网

1.绪论

1.1 选题意义

热解制气技术已成为国内外生物质利用的重要技术之一,由于热解制气技术所得热解气属于中热值燃气,已用于集中供暖,集中供气和发电等领域。对生物质综合利用,可以更好地改善环境,改善能源结构,使人们生活方式与生活质量大大提高。然而生物质热解仍有如下缺点和不足:(1)气体产率较低,经济效益不佳。(2)气化过程中半焦和焦油不能合理利用,影响热解工艺整体经济效益。(3)生物质原料收集成本太高,而且并没有集中分布。为解决生物质热解工艺所存在的以上问题,该论文选用一种新的生物质原料菌糠为热解原料,研究菌糠热解制气工艺中各操作参数对气体成分、产率等影响,并研究热解制气的副产物菌糠半焦的吸附性能。菌糠是蘑菇栽培后的废弃物,它具有粒度均匀、多孔、结构疏松、含水率低等特点。菌糠在蘑菇种植中已产生一定经济效益,若将菌糠进一步高效利用,则可以额外增加种植收益。另外,蘑菇栽培在很多地区已实现产业化种植,商业化运作,菌糠的分布比较集中,在蘑菇生产比较集中地区,将其作为生物质热解气化原料,能保证原料充足供应。但目前为止关于菌棒作为生物质气化原料的研究还很少,虽然在有些地区有一些应用,但是对于蘑菇生产过程中菌糠组分及性能变化了解还较少,菌糠的气体特性、碱金属元素的影响、菌糠热解气质量和副产物的吸附性能等内容还没有进行深入研究,气化条件的选择也缺乏理论指导。因此,该论文主要针对废蘑菇菌棒作为气化原料的一些关键问题进行研究,对其作为气化原料的可行性进行分析。该论文选题来源于生产实践,开展这方面研究既能合理利用种植户产生的大量废弃菌糠,又可以增加农户种植蘑菇的总体经济效益,减少因菌糠随意丢弃所造成的环境污染,为用户提供清洁燃气。

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1.2 生物质能及利用现状

由于生物质能源是可再生的,并且具有高灰分、高挥发分低硫、低氮、无二氧化碳净排放的优势,因此生物质能源可用作化石能源的补充[1]。生物质在一些化学方式和热转化的手段下,生物质可以转变成气、固、液三种状态的燃料以及一些化工原料等。作为可再生能源,各国都对生物质能源利用高度关注,并把生物质能源的利用提升到国家能源战略高度。很多国家生物质能源利用到工程中,如日本、印度、巴西和美国等国家分别开展了“阳光计划”、“绿色能源工程”、“酒精能源计划”和“生物质能材料研究开发计划”等[2]。中国可供利用的生物质能源包括农作物秸秆、薪柴和禽畜粪便等,以及工业和城市的有机废弃物和有机垃圾,并且拥有丰富的产量,都能作为生物质能源[3]。中国的农作物秸秆产量很高,每年可达到约 6.5 亿吨。并且中国生物质将逐步工业化示范和全面推广[4,5]。

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2. 菌糠和木屑基本性质测定

2.1 实验原料及处理

实验所用菌糠和木屑(见图 2.1)均取自鞍山市宁远镇张家堡村鞍羊路设施农业产业带绿色食品生产基地内。木屑为栽培香菇所用原料的材料,菌糠为上年蘑菇种植后的剩余物。原料取回后,在自然通风处晾晒,以去除大部分外在水分。并将菌糠机械破碎成粒径为 3~5mm 均匀颗粒,过筛去掉微小颗粒。木屑已是粉碎较均匀颗粒,所以无需粉碎,直接筛分。如进行工业分析和元素分析,则需要采用合适的粉碎机及筛网将物料粉碎至标称最大粒径小于 1mm,制成通用分析试样。将其粉碎至更细粒径,筛分进行实验。然后将样品混合,采用四分法取实验样品,以保证样品均匀和代表性。用划对角线的方法把采集的样品混合并分成四等份,取其中对角线的两份之后剩余的两份弃去。若样品数量仍然不能满足,则将样品继续用四分法处理到所需要数量。实验之前的原料在 25℃恒温干燥箱内干燥 8h。

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2.2 菌糠和木屑元素分析

菌糠和木屑等生物质都是由无机物和有机物两部分组成。无机物包括水和矿物质,而有机物是生物质的主要组成部分,其组成和性质决定着热加工利用的程度。但对生物质原料中的有机物质结构和形态进行测定有一定困难,因为这些有机物的热稳定性很差。所以通过元素分析来了解生物质性质,还可以用来估算生物质的发热量,热解产物收率等。使用EA3000元素分析仪(意大利EuroVector公司)对菌糠和木屑元素含量进行测定。再打开元素分析仪之前应正确选择安装色谱柱和反应管,并设定为工作模式(O 模式或 NCHS 模式),设定压力为 0.4MPa 的氧气和氦气(测 O 时关闭),检查仪器的低温和高温检漏现象。检漏完的仪器达到稳定运行状态后,现对其进行空白试验。标准曲线用盛标准试剂磺胺(乙酰苯胺)的锡囊(银杯)做,其中各元素的标准曲线应达到 99.9%。元素结果通过标准曲线来测定,样品元素 NCHS(O)含量的测定,最后对结果进行保存。

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3. 菌糠热解制气实验......14

3.1 菌糠和木屑热重分析..........14

3.2 热解制气实验........16

3.3 热解过程热解炉中心温度变化........18

3.4 热解终温对热解产物分布的影响....19

3.5 热解终温对菌糠热解气成分的影响.......20

3.6 热解终温对菌糠热解气性质的影响.......22

3.7 升温不同阶段热解气组分的变化....23

3.8 菌糠热解副产物半焦吸附性能测试.......24

4 菌糠与木屑热解性能比较.........28

4.1 菌糠和木屑热解过程热解炉中心温度变化规律比较.......28

4.2 菌糠和木屑热解终温对热解产物分布的影响比较....29

4.3 菌糠和木屑热解终温对热解气成分影响规律比较....31

4.4 菌糠和木屑热解终温对热解气性质的影响规律比较.......34

4.5 菌糠和木屑升温不同阶段热解气组分的变化规律比较..........34

4.6 菌糠和木屑中金属离子含量对热解的影响比较........35

4.7 菌糠和木屑热解半焦比表面积和孔参数的比较........36

5 结论与展望.....38

5.1 结论..........38

5.2 展望..........38

4 菌糠与木屑热解性能比较

4.1 菌糠和木屑热解过程热解炉中心温度变化规律比较

木屑热解时热解炉中心温度变化如表 4.1 和表 4.2 所示。其变化规律与菌糠基本相同。在 350℃出现温度的迅速上升,但此温度与菌糠相比要大。另外,终温相同时,同一反应时间木屑的温度要高于菌糠,即木屑的升温速度快,但是从实验现象看,菌糠在短时间内的反应要比木屑剧烈的多。究其原因主要是由于木屑做成的菌糠,栽培蘑菇后,在菌的作用下木质素、纤维素和半纤维素出现不同程度分解,使结构变的疏松,使传热效率下降。木屑的油产率高于菌糠,而炭产率和气产率均低于菌糠。根据元素分析结果,木屑中的固定碳含量应该高于菌糠,但结果恰恰相反,分析其原因主要是由于结构疏密程度不同导致传热的不同,从而影响升温速度所致。另外,由于菌糠和木屑中组分的变化,也影响到气体的产率。

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结论

该论文通过调研、实验和对结果分析,得出以下结论:

(1)木屑制成的菌棒在蘑菇栽培过程中,其纤维素、半纤维素和木质素在酶的作用下不同程度地被降解,尤其是不易热解的木质素降解量最大。

(2)菌糠最佳热解温度为 700℃,但为了得到更高气体产率,可以提高温度到 900℃,此时热解气产率为 56%,焦油产率降低到 17%,炭产率为 28%。菌糠热解温度在 700℃以上时,热解气中氢气和一氧化碳含量迅速增加,甲烷含量下降,热解气热值基本保持不变,低热值为 11MJ/m3。

(3)热解过程在 300℃-350℃时,有一个放热反应区域,此时反应剧烈。

(4)若在一种工艺条件下同时得到较高质量的气体、焦油和半焦是不可行的。为了得到高质量的气体、焦油和半焦必需分别研究其热解条件。

(5)生物质中纤维素、半纤维素和木质素含量有所差别,由于结构疏密程度不同所导致的传热速率的不同对热解的影响大于生物质中固有的金属离子对热解的影响。

(6)菌糠热值约为木屑的 2/3,两者固定碳含量和水分含量基本相等。菌糠的挥发分降低,灰分增加;菌糠中 K 离子含量仅为木屑中含量的 1/17,Na 离子含量为 1/2,Ca 离子含量为 1/6.7,Mg 离子含量为 1/17,Fe 离子含量基本相等;菌糠热解气产率和碳产率均大于木屑,而油产率小于木屑。

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参考文献(略)

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