棉花秸秆微波炭化设备的设计与试验

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中国拥有丰富的棉花秸秆资源,如果能充分利用这些棉花秸秆资源,将会产生巨大的经济效益和社会效益。但目前中国大部分棉花秸秆都没有得到充分的利用,为了提高棉花秸秆的利用率,研究不同试验参数对棉花秸秆生物炭的产炭率的影响。根据棉花秸秆炭化设备的技术要求,利用微波加热具有快速、高效、资源回收利用率高、不会造成二次污染等显著优点,该文设计了一款棉花秸秆微波炭化设备,棉花秸秆微波炭化设备主要由气液处理系统、炭化腔、PLC控制面板、氮气罐等组成,论文完成的主要工作有:(1)针对微波生物炭加工设备的技术需求,确立微波炭化生物炭加工设备的技术要求。本文设计了一台利用微波技术对生物质能炭化的设备,通过计算得到了微波炭化设备的最大功率为2.99kW,同时设计了两种类型的炭化腔容器,通过仿真得到了在频率为2~2.5GHz时,磁控管波端口的激励较其他频率平稳,则选择微波炭化设备的频率为2.45GHz。(2)由于微波炭化腔容器的结构和形状对微波的利用效率影响较大,所以对微波炭化设备中的两种炭化腔容器进行了电场仿真。根据电场仿真结果可知,微波炭化容器为曲面光滑内壁时的电场强度主要在9.4789×102V/m~1.8958× 103V/m,且此时的微波炭化腔容器内电场分布较为均匀;而内壁为曲面非光滑微波炭化腔容器的电场强度主要集中在7.2843× 102V/m~2.0396×103V/m,但电场强度分布不匀。由此可得出在使用曲面光滑内筒比曲面非光滑内筒作为炭化容器更好,则选择曲面光滑内筒作为炭化容器。(3)选择炭化温度、棉花秸秆含水率和炭化时间为试验因素,以棉花秸秆的产炭率为响应值进行三因素三水平二次回归试验,利用Box-Benhnken组合试验法优化分析微波炭化棉花秸秆产炭设备试验因素最优组合为:含水率11%、炭化时间6.23min、炭化温度300℃,此时软件分析预测棉花秸秆产炭率为37.84%。验证优化试验时采用含水率为11%、炭化时间为6min、炭化温度300℃因素水平下,有较好的产炭率,棉花秸秆产炭率为34.15%。与软件预测值相对误差均小于4%,则微波炭化设备能达到基本目标。(4)通过对棉花秸秆生物炭的特性研究可知,随着温度的升高棉花秸秆炭中碳元素的百分比逐渐升高、碳元素含量也逐渐升高、棉花秸秆表面遭到破坏、棉花秸秆的表面逐渐出现孔隙结构。在对棉花秸秆生物炭的吸附性进行研究后发现,棉花秸秆炭的吸附率随着pH的升高而逐渐增强,随着棉花秸秆生物炭的投入量的增加吸附率也逐渐升高。
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