【摘 要】
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生物质资源具有储量大、成本低、清洁可再生等特点,受到政府和研究机构的重视。热解技术具有转化效率高、产物多样化且产物品质可根据热解工艺调控的特点,更符合市场能源和化工产品的需求,在生物质利用技术中占据重要地位。国内外研究者对生物质热解动力学参数、热解产物特性、热解过程和机理等进行了大量研究,但针对热解反应的传热传质过程研究相对较少。本文研究内容和主要结果如下:利用TG-DSC方法研究了桉木屑的热解特
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生物质资源具有储量大、成本低、清洁可再生等特点,受到政府和研究机构的重视。热解技术具有转化效率高、产物多样化且产物品质可根据热解工艺调控的特点,更符合市场能源和化工产品的需求,在生物质利用技术中占据重要地位。国内外研究者对生物质热解动力学参数、热解产物特性、热解过程和机理等进行了大量研究,但针对热解反应的传热传质过程研究相对较少。本文研究内容和主要结果如下:利用TG-DSC方法研究了桉木屑的热解特性和动力学参数,桉木屑热解过程可以分为干燥预热、快速热解和炭化3个阶段,升温速率的提高有利于热解反应进行和挥发分析出,热解反应系数Q从5℃/min的1.01×10-6增加到30℃/min的2.42×10-6。通过Ozawa-Flynn-Wall法和Friedman法求得热解第一、二阶段的活化能分别为60.67k J/mol和82.33k J/mol、134.33 k J/mol和148.50 k J/mol,指前因子分别为6.87 s-1和10.43s-1、9.27 s-1和10.77 s-1,利用Malek法确定了桉木屑热解前2个阶段的反应机理为随机成核和随后生长,满足Avrami/Erofeev方程;利用数据拟合法得到第三阶段的反应进程方程。在20℃/min的升温速率下研究了桉木屑固定床热解温度对热解炭产率、成分、微观结构和热物性参数的影响。随着热解温度的升高,热解炭的得率下降、挥发分含量减小、灰分和固定碳含量增大、内部孔道逐渐发展成熟,更有利于传热传质,热解炭的密度先减小后增大,导热系数先略减小后呈指数型迅速增大。利用TG-DSC方法研究了桉木屑及其热解炭的比热容和热解反应热,随着热解炭制备温度的升高,热解炭比热容呈现U字型先减小后增大,热解反应热先减小后增大。利用ANSYS有限元分析软件建立了颗粒尺寸为?20?40mm的三维圆柱体状生物质颗粒在升温速率为20℃/min下的热解传热模型。在热解过程中,热量由外向内传递,颗粒从外到内可以分为炭化区、热解区、水分蒸发区和未反应区,各反应区逐渐向炭化区衍变。研究了模型参数对颗粒温度场的影响,发现三维模型比二维模型更能反映真实热解过程的传热情况;颗粒外壁温度在350℃以下时,随着升温速率增加,颗粒模型径向温度取样点的温度差异变大,在350℃时,颗粒模型取样点温度差异变小并趋于稳定,并在随后升温过程中保持此差异,而后各取样点温度逐渐达到850℃;比热容采用恒定值时,各个取样点的升温曲线产生变异,忽略比热容的变化将导致传热模型不准确;当导热系数采用恒定值0.05w/（m·℃）时,模型初始段的颗粒内部升温速率变快,而结束段的升温速率变慢;反应热以及颗粒尺寸对模型求解结果无明显影响。通过关联动力学模型和传热模型建立的热解模型可以较好的模拟桉木屑热解过程中颗粒内部温度分布和失重情况。
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