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摘 要

生物质种类繁多，分布广阔，我国作为一个农林业大国拥有着丰富的生物质资源，但是由于生物质水分高，能量密度低等问题，制约了生物质技术的利用与发展。本文通过研究生物质水热焦炭热解气化反应，为生物质能的开发利用提供理论依据。

本实验选用热重分析仪(TGA)对生物质原料进行热解气化实验，研究了不同原料，不同气氛以及不同升温速率下对生物质热解气化特性的影响；采用Coats-Redfern法计算了同一升温速率，同一气氛下不同原料的活化能；分析不同氛围下生物质TG和DTG曲线；比较不同升温速率下KAS模型和FWO模型拟合度。

结果表明：五种原料中，花生杆最容易发生气化反应，棉杆最难发生；热解反应由干燥、热裂解以及碳化三个阶段组成，在热裂解阶段由于占比较大的高聚合物热裂解成气体因此会出现失重率峰值；气化反应可分为挥发分气化和固定碳气化这两阶段，并且在气化反应中出现了两个峰值，是由于生物质中纤维素和半纤维素发生反应的温度不同导致的；KAS模型和FWO模型拟合结果相似，但FWO模型更贴近真实情况下的热解过程，而KAS模型更贴近气化过程。

关键词：生物质 热解气化动力学 热重分析 活化能

Study on pyrolysis and gasification kinetics of biomass and hydrothermal coke

Abstract

Biomass variety, broad distribution, China as a big country with abundant forestry biomass resources, but due to the high moisture content, biomass energy density low, restricted the use and development of biomass technology. In this article, through the graduate student material pyrolysis gasification reaction, water hot coke for a living material can provide theoretical basis for the development and utilization.

In this experiment, thermogravimetric analyzer (TGA) was used to conduct pyrolysis and gasification experiments on biomass raw materials. The influences of different raw materials, different atmospheres and different heating rates on the pyrolysis and gasification characteristics of biomass were studied.The activation energies of different materials with the same heating rate and the same atmosphere were calculated by Coats-Redfern method.TG and DTG curves of biomass under different atmospheres were analyzed.The KAS model and FWO model with different heating rates were compared.

The results showed that among the five raw materials, peanut stalk was the most prone to gasification, while cotton stalk was the most difficult to occur; pyrolysis reaction consisted of three stages: drying, pyrolysis and carbonization. In the pyrolysis stage, because of the high proportion of polymer pyrolysis into gas, there would be a peak weight loss rate; the gasification reaction can be divided into two stages: volatile gasification and fixed carbon gasification, and there are two peaks in the gasification reaction, which are caused by the different reaction temperatures of cellulose and hemicellulose in biomass. The fitting results of KAS model and FWO model are similar, but FWO model is closer to the real pyrolysis process, while KAS model is closer to the gasification process.

KEYWORDS: biomass pyrolysis; gasification kinetics; thermogravimetric analysis; activation energy

目录

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1生物质能概况 1

1.1.1生物质能定义及特点 1

1.1.2生物质能利用现状 2

1.2生物质能的应用技术 2

1.2.1燃烧技术 2

1.2.2水热技术 2

1.2.3生物转化技术 3

1.2.4植物油技术 4

1.3研究现状 4

1.3.1国外研究现状 4

1.3.2国内研究现状 4

1.4本文主要研究目的和内容 5

1.4.1研究目的 5

1.4.2研究内容 5

第二章实验部分及分析方法 6

2.1实验材料 6

2.2实验装置与方法 6

2.3实验步骤 7

2.4热解气化动力学模型及分析 7

第三章数据记录与分析 10

3.1前言 10

3.2不同原料的气化特性分析 11

3.3不同氛围下的生物质特性分析 13

3.4不同升温速率下热解气化特性分析 14

3.5本章小结 18

第四章结论与展望 20

4.1全文结论 20

4.2创新与特色 20

4.3展望 20

参考文献 22

致谢 26

第一章绪论

1.1生物质能概况

能源作为我们日常生活中不可缺少的一部分，随着世界经济的快速发展，人们对于能源的需求量也越来越大。在上个世纪，人们主要以消耗化石能源为主来维持人们的日常生活，然而，在不断的开采使用化石能源的同时给环境带来了极大的危害，并且很多化石能源是有限的。由于地球上人口基数和能源消耗量的增加，导致了煤炭、石油和天然气等化石燃料逐渐枯竭。因此，开发并且充分利用清洁可再生能源是当今世界可持续发展的首要任务^[1]。

1.1.1生物质能定义及特点

生物质能是指生物体通过进行光合作用以化学能的形式进行储存的能量，其具有可再生性、低污染性以及储存量丰富等特点^[2-3]。

可再生性：由于生物质能在光和水的作用下进行光合作用而产生能量，因此可以通过植物的生长实现可再生。但是如果其再生量即生长量和固定量之和低于了人类的消耗量，就会产生生物质资源匮乏的情况，所以生物质能保持可再生的前提是不断补充已经利用掉的生物质资源和保护生物质所生存的环境。

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