象草热解特性试验研究

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象草是一种多年生草本植物,生长较快,可燃性强,在我国南方地区广泛种植,具有理想能源作物的普遍特性,其高效、洁净转化技术的开发和研究不仅有益于华南地区经济的可持续发展,而且对地区的环境保护和新能源利用也有着重要意义。本文利用生物质热化学转换技术之一——热解技术,对象草热解进行了系统的研究,主要工作包括以下几个方面: 利用热重分析仪对象草的热稳定性及热分解过程加以研究。分析了其原料特性,通过对TG、DTG和DSC曲线的详细分析,阐明了其热解反应历程和反应机理,计算了动力学参数,得到了反应动力学方程,考察了象草中添加氯化钙后的热解动力学行为,进行了豆秸与象草的热解行为和动力学对比研究。结果表明,象草、添加10%氯化钙的象草和豆秸在主热解反应阶段,其机理函数符合Johnson-Mehl-Avrami方程,反应级数n的取值范围分别是0.25~0.67、0.25~0.67和0.25~0.50,活化能分别为200±10kJ/mol、175±25kJ/mol和170±15kJ/mol。氯化钙具有催化作用,降低了象草的热稳定性,有利于焦炭的生成,并从一定程度上改变了象草热解的机理,使活化能和指前因子显著降低。与豆秸相比,象草热稳定性相对较差,热解起始温度低近20K;与豆秸相比,象草热解较完全,焦炭产量低3%左右;与豆秸相比,象草结构相对复杂,失重温度区域广,出现两次较大失重,而豆秸存在一次较大失重;象草的活化能和指前因子略高于豆秸。 利用小型固定床热解试验装置,研究了热解最终温度(350℃~600℃)、氯化钙添加量(比例为0%~61.5%)和气相停留时间(载气流量为0~300ml/min)对热解终产物分布的影响。结果表明,象草的热解过程遵循传统生物质的热解规律,温度升高到一定程度后内部化学键断裂,释放出大量挥发性产物,一部分经冷凝生成液体产物,不冷凝部分为气体产物,残留焦炭。热解终温是影响象草热解的最显著因素,随着热解终温的增高,固、液产物产量降低,气体产物产量提高,固、液、气三产物的比例由350℃时的1:0.61:0.57变化到600℃时的1:1.45:1.38。氯化钙添加量对象草热解的影响明显,当添加比例小于15.4%时,主要表现为催化作用,抑制液体产物的形成;当添加比例达到15.4%以上时,氯化钙颗粒主要表现为热载体的作用,加速了象草的进一步热解,促进了气、液产物的生成,残留焦炭明显降低,添加比例为61.5%时焦炭产量降低了33%。较大的载气流速,即较短的气相停留时间,抑制了二次裂解的发生,使得液体产物增加,气体产物减少。采用气相色谱(GC)对热解的气体产物进行定性和定量的分析,计算出气体热值;并利用量热仪对热解焦炭的热值进行了测定。结果表明,气体产物组成由多到少依次为CO2、CO、CH4和H2。随着热解终温的增高,气体产物热值提高了130%;焦炭热值提高了85%。氯化钙量的增加,小幅度地促进CO2生成,不利于产生高品位热值气体。二次裂解随着载气流量的增加而减少,气体产量大幅度的减少,并使得气体产物热值降低。
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