生物质秸秆炭化炉的结构设计与试验研究

【摘要】：随着化石燃料资源的日渐减少和其在燃烧时对环境造成的严重污染，生物质替代能源研究成为国际研究热点，对于新疆而言，棉杆资源丰富，合理利用生物质炭化技术意义很大。 为了提高生物质秸秆的利用效率，本文以棉花杆为实验样本，同时分析各种生物质之间的内在结构和炭化工艺过程。依照节能环保的原则，设计了一套外热式的生物质秸秆炭化炉，并对其在理论计算上和实际生产中做出了检验。探寻其在生产过程中最优工艺条件。具体研究内容如下： （1）通过对生物质的热解炭化过程进行理论的分析，了解了生物质热解炭化过程的基本炭化工艺过程，并通过分析古今生物质炭化技术的优劣，初步确定了设计生物质秸秆炭化炉的基本工艺需求：外热、整体炭化、间歇式 （2）设计一款不需要将秸秆粉碎压型，直接捆扎炭化的外燃式生物质秸秆炭化炉，确定了炉体的基本尺寸、烟气流向、加热炭化等基本工艺流程。并通过理论计算和初步试验研究，证明了该款外热式生物质秸秆炭化炉不论在理论上还是实际生产中，都能实现优秀的炭化作用。该外热式生物质秸秆炭化炉的在一定条件下，可以理论上不需消耗外界热源，单靠自身产生的热能和天燃气发热，实现连续炭化。并且由炭化所制取的各种木炭，品质优良。 （3）分析了生物质秸秆炭化产物的评判标准，并通过单因素试验，确定了影响木炭固定碳含量和炭化比表面积的三个因素。通过正交试验发现：在置信区间90%时，对于木炭的炭化比表面积，反应的最终温度影响非常显著，反应的升温速度影响一般显著，而保温时间的影响不显著。 （4）为了寻找最优的工艺过程，通过梯度发寻优。基于minitab软件响应曲面设计，得到最优工艺条件为：最终温度650℃、温度上升速度143℃/h。保温时间4.33h（4小时20分钟）。通过化验得知，在该工艺条件下制得的木炭成碳率27.2%，固定碳含量为83.5%，炭化比表面积为9.038g/m~2。 【关键词】：生物质 秸秆炭化炉 响应曲面设计 minitab 炭化比表面积
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK6
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 前言9
• 1.2 生物质能源9-10
• 1.2.1 生物质能源的现状9
• 1.2.2 生物质能源的分类9-10
• 1.3 现代生物质能源的开发和利用技术10-13
• 1.3.1 生物质直燃技术11-12
• 1.3.2 生物质快速热解技术12
• 1.3.3 生物质炭化技术12-13
• 1.4 课题主要内容13-14
• 1.4.1 课题主要研究的目的13
• 1.4.2 课题研究内容13-14
• 1.4.3 课题研究的技术路线14
• 1.5 小结14-15
• 第二章 生物质炭化机理研究及炭化技术分析15-25
• 2.1 生物质秸秆的成分构成15-16
• 2.2 生物质的热解过程及原理16-19
• 2.2.1 生物质热解过程16-18
• 2.2.2 生物质热解产物18-19
• 2.2.3 生物质热解原理19
• 2.3 生物质炭化技术19-23
• 2.3.1 木炭的性质与评价19-21
• 2.3.2 生物质炭化设备21-23
• 2.3.3 生物质炭化干馏工艺23
• 2.4 小结23-25
• 第三章 生物质秸秆炭化炉的结构设计25-38
• 3.1 秸秆炭化炉的炉体设计及各部分参数确定25-30
• 3.1.1 秸秆炭化炉的设计目标25-26
• 3.1.2 秸秆炭化炉的设计26
• 3.1.3 秸秆炭化炉的总体结构图26
• 3.1.4 炉体外腔结构的设计安排26-28
• 3.1.5 反应室的结构设计28-30
• 3.2 分析生物质秸秆炭化炉的工艺流程30-31
• 3.2.1 炭化反应准备工作30
• 3.2.2 分析炭化反应的过程及原理30-31
• 3.3 生物质秸秆炭化炉的理论检验31-33
• 3.3.1 反应产生的天燃气放热32
• 3.3.2 反应室中反应物的吸热32
• 3.3.3 炉内对外散失的热量32-33
• 3.3.4 第一次反应时用煤量及可行性分析33
• 3.4 生物质秸秆炭化炉的试验研究33-37
• 3.4.1 实验条件33-34
• 3.4.2 试验目的34-35
• 3.4.3 试验方法35
• 3.4.4 试验结果分析35-37
• 3.4.5 试验结论37
• 3.5 小结37-38
• 第四章 秸秆炭化炉炭化试验研究及分析38-53
• 4.1 试验影响因素分析与因素范围的确定38-41
• 4.1.1 试验评价指标38-39
• 4.1.2 炭化最终温度的对炭化反应的影响39-40
• 4.1.3 升温速率对炭化反应的影响40
• 4.1.4 保温时间对炭化产物的影响40-41
• 4.1.5 炭化反应压力、秸秆含水量以及原材料形状对炭化反应的影响41
• 4.1.6 反应的环境气氛对炭化反应的影响41
• 4.1.7 试验影响因素的确定41
• 4.2 试验方案的设定41-42
• 4.2.1 实验方案设计41-42
• 4.2.2 响应曲面的优化42
• 4.3 试验过程42-43
• 4.4 炭化炉的试验设计43-46
• 4.4.1 正交试验设计43-44
• 4.4.2 试验指标的参数组合44
• 4.4.3 指标和参数之间的关系44-45
• 4.4.4 炭化比表面积的方差分析45-46
• 4.5 一次回归正交梯度法寻优46-52
• 4.5.1 多元线性回归正交设计46-48
• 4.5.2 各因素对炭化比表面积结果的响应曲面分析48-51
• 4.5.3 确定回归曲线的最佳状态51-52
• 4.6 小结52-53
• 第五章 结论与展望53-55
• 5.1 结论53-54
• 5.2 展望54-55
• 参考文献55-58
• 致谢58-59
• 作者简介59-60
• 硕士研究生学位论文导师评阅表60

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