民用生物质碳成型燃料的制备及燃烧特性研究

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生物质炭是一种可再生、热值高的民用燃料。与生物质颗粒炭相比,成型碳质燃料具备更高的机械强度,可以同时由多种碳源调配而成,既解决了大量碳质废料不易规模化利用的问题,又能实现成型燃料燃烧特性的定向调控。本文采用热综合分析法考察了五种单碳源以及复配碳源的燃烧特性,探究了多种钾基催化剂对两种难燃耐烧碳源的催化燃烧特性,筛选了粘结剂并制备了成型碳棒燃料,结合红外热像仪对碳棒在自然环境中着火和燃烧行为进行分析,并获得了易燃耐烧碳棒的制备组成和方法。首先,采用X射线衍射(XRD)、热重-差示扫描量热(TG-DSC)分析了五种碳源-生物质炭(A、B、C),活性炭D和石墨炭E的微晶结构与热失重动力学行为,在此基础上进一步考察了复配碳源的燃烧特性。结果表明:各碳源的石墨化程度由高到低依次为E>C>A>B>D。生物质炭A具有良好的着火性能和燃尽性能,着火温度为395.6℃,燃尽温度为570.8℃,同时还具有燃烧速率快、燃烧稳定性好的特点;而石墨炭E最难点燃,着火温度为690.8℃;将石墨炭E与生物质炭A掺混,能够使燃尽温度提高141.1℃,达到较好的复配效果。其次,采用浸渍改性与热分析方法研究了多种钾基催化剂对两种难燃耐烧碳源的催化燃烧特性。结果表明:钾基催化剂按其催化能力的强弱依次为:硝酸钾>氢氧化钾>碳酸钾>柠檬酸钾>苹果酸钾>酒石酸钾;在改善燃烧特性方面,钾元素的质量分数比钾盐的种类起到更关键的作用,同时钾催化剂化合物中的氧也可以促进石墨的氧化反应;石墨炭E的着火温度和燃尽温度在催化剂的作用下均降低了120℃,其燃烧所需的活化能从194.5 k J/mol急剧下降到106.8 k J/mol。最后,筛选出合适的粘结剂并采用单螺杆挤出成型机制备成型碳棒,结合红外热像分析进一步研究了催化剂表面改性前后成型碳棒的燃烧特性。结果表明:生物质炭A表面具有较强粘性,易于成型;石墨炭E具有良好的润滑性,与粘结剂相容性较好;粘结剂F的成型效果最好。热重显示,粘结剂F的添加使得生物质炭A的着火温度降低了120℃左右,而氢氧化钾催化剂的表面改性能够使成型碳棒在自然环境下燃烧的着火点进一步降低16℃左右,并使着火时间缩短3s左右;石墨炭E的掺混则能够提升碳棒在自然环境下燃烧的持火性能和放热效果,使得燃烧时间延长了4min,燃尽温度提高了114.2℃。
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