【正文】 ～ 5年成熟 ， 成熟后有 6～ 7m高 ， 每公頃每年河南科 技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 2 能生產(chǎn) 10t干物質(zhì) ， 每噸里面含有的熱量是 (兆瓦時(shí) )， 熱值含量非常高。 目前在瑞典沙萊斯的種植面積已達(dá) 13萬(wàn) hm2， 每公頃一般種 [6]。 自 1992年世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)后 ， 歐美國(guó)家開(kāi)始大力 發(fā)展生物質(zhì)能。 歐盟規(guī)劃 20xx年可再生能源比例達(dá) 12%， 每年可替代 20xx萬(wàn)噸石油 ， 其中成本較低的生物質(zhì)能約占 80%。 美國(guó) 1999年明確提出規(guī)劃到 20xx年生物制品及生物質(zhì)能的產(chǎn)量將為當(dāng)時(shí)水平的 3倍 ， 生物質(zhì)能比達(dá) 10%。 由此可見(jiàn) ， 生物質(zhì)能在一些發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較為廣泛。 相對(duì)而言 ， 我國(guó)在生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用方面的成功例子很少 ， 相應(yīng)的開(kāi)發(fā)研究急需加強(qiáng)。 在眾多的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)中 ， 生物質(zhì)燃燒技術(shù)無(wú)疑是最簡(jiǎn)便可行的高效利用生物質(zhì)資源的方式之一 [7]。 生物質(zhì)燃料是清潔的可再生能源。 生物質(zhì)燃料的主要成分是木質(zhì)纖維素 ，由纖維素 、 半纖維 素和木質(zhì)素組成。主要含有碳、氫、氧及少量的氮、硫等元素。 其中易燃部分主要是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素。燃燒時(shí)纖維素、 半纖維素和木質(zhì)素首先放出揮發(fā)分物質(zhì) ， 最后轉(zhuǎn)變成炭 。 特點(diǎn)是溫室氣體的零排放 (因?yàn)樗?們參與大氣中的碳循環(huán) )， 硫的含量很低 ， 因此 SOx的排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煤和重油 。 另外 ， 由于生物質(zhì) 燃料熱值低且理論燃燒溫度低 ， 因此 NOx的生成 率相應(yīng)也較低。生物質(zhì)燃料可稱(chēng)為清潔能源。 只要太陽(yáng)輻射存在 ， 綠色植物光合作用就不會(huì)停止 ， 因 此 ， 生物質(zhì)燃料是理想的可再生能源 [8]。 167。 研究目的與意義 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民 生活水平的提高 ， 能源短缺和環(huán)境污染日益成為困擾人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的主要問(wèn)題。 按目前技術(shù)水平和 20xx年的開(kāi)采量計(jì)算 ,石油、 煤炭和天然氣分別可供開(kāi)發(fā) 41年、 192年和 67年 [9]。 隨著化石能源的無(wú)節(jié)制使用 ， 環(huán)境問(wèn)題變得日益嚴(yán)重 ， 如全球氣溫變暖、損害臭氧層、破壞生態(tài)圈平衡、釋放有害物質(zhì)、引起酸雨等。 因此 ， 開(kāi)發(fā)和尋找新的替代能源已成為人類(lèi)社會(huì)在 21世紀(jì)必須解決的重大課題 ， 生物質(zhì)能源可再生而不會(huì)枯竭 ，同時(shí)起著保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境的重要作用 ， 是未來(lái)最重要的替代能源之一。 全世界每年通過(guò)光合作用生成的生物質(zhì)大約有 1200億 t， 其中僅 1%用作能源 ， 但它已為全世界提供了 14%的能源 ， 并成為世界上 15億人口賴(lài)以生存的 主要能源。 在我國(guó) ， 生物質(zhì)在能源消耗中占有舉足輕重的地位 ， 它僅次于河南科 技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 3 煤而成為第二大能源 ， 在全部能源消耗中約占 20%， 特別是在農(nóng)村能源消費(fèi)中 ， 生物質(zhì)能約占生活用能的 70%， 占整個(gè)用能的 50%， 總量約有 6億 t用作能源 [1]。 生物質(zhì)因具有揮發(fā)分高、 炭活性高 ， N、 S含量低 (含 N量 %～ 3%、含 S量一般僅 %～ %)， 灰分低 ， 生命周期內(nèi)燃燒過(guò)程 CO2零排放等特點(diǎn) ，特別適合燃燒轉(zhuǎn)化利用 ， 是一種優(yōu)質(zhì)燃料 [10]。 在我國(guó) ， 發(fā)展生物 質(zhì)燃燒技術(shù)既能緩解溫室效應(yīng) ， 又能充分利用廢棄生物質(zhì)資源 ， 改善或提高農(nóng)民的生活條件 ， 而且對(duì)現(xiàn)有的燃燒設(shè)備不需作較大改動(dòng) ， 因此具有明顯的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)意義 ， 符合我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)情和生物質(zhì)開(kāi)發(fā)利用水平 [7]。 但是， 由于受經(jīng)濟(jì)因素的限制 ， 生物質(zhì)燃料的利用程度并不高。 以粉末狀的生物質(zhì)燃料 ， 如谷殼、 鋸末等為例 ， 由于常規(guī)的燃燒方式以空氣為氧化劑 ， 燃盡性能差 ， 以致 大量被浪費(fèi) [11]。 催化燃燒技術(shù)， 可以大大節(jié)省燃料，降低廢棄物的排放 ， 使環(huán)境污染的程度大大降低 。 因此，研究生物質(zhì)燃料催化氧化燃燒技術(shù)十分必要。 167。 研究現(xiàn)狀 以前人類(lèi)對(duì)生物質(zhì)能的利用基本上是以直接燃燒的方式利用它的熱量。直到 20世紀(jì) ， 特別是近一、 二十年 ， 人們普遍提高了能源與環(huán)保意識(shí) ， 對(duì)地球固有的化石燃料的日趨減少有一種危機(jī)感 ， 在可再生能源方面尋求能源的持續(xù)供給 ， 使生物質(zhì)利用技術(shù)的研究與應(yīng)用有了快速的發(fā)展 [12]。 目前生物質(zhì)能的主要開(kāi)發(fā)利用技術(shù)包括生物質(zhì)的固化、氣化、 液化以及燃燒技術(shù) ， 其能源產(chǎn)品包括成型固體燃料、炊事燃?xì)狻?液體燃料 (生物油、柴油、 汽油等 )、 電、 熱 (或暖氣 )[7]。 湘潭大學(xué)環(huán)境工程系 的羅 婕 、 田學(xué)達(dá) 、 魏學(xué)鋒 對(duì)生物質(zhì) 燃料的 燃燒進(jìn)行了研究， 開(kāi)發(fā)了一 種固態(tài)氧化劑 M， 可使粉末狀生物質(zhì)燃料趨于完全燃燒 ，并且能夠再生后循環(huán)使用 。 與其它的固體氧化劑比較 ， 當(dāng)生物質(zhì)燃燒性能改善程度相同時(shí) ， 添加 M 在成本消耗上有明顯的優(yōu)勢(shì) 。 研究所用的生物質(zhì)燃料為米糠和木屑 ， 均取自湖南湘潭地區(qū) ， 木屑為杉木加工廢料 。 試驗(yàn)所用樣品均取 20 目篩下 。通過(guò)熱分析 試驗(yàn) 對(duì)米糠 、 木屑兩種典型粉末狀生物質(zhì)以空氣為氧化劑和以 M 為氧化劑的不同情況進(jìn)行了對(duì)比研究 。 從研究 可知 ， 添加固態(tài)氧化劑 M 能顯著改善粉末狀生物質(zhì)燃料的燃燒性能 ： (1)降低粉末狀生物河南科 技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 4 質(zhì)燃料的著火溫度 。 (2)提高粉末狀生物質(zhì)燃料的燃燒速度 。 (3)增加燃燒過(guò)程的放熱量 [11]。 美國(guó)得克薩斯大學(xué)的 Sami[13]綜述了生物質(zhì)與煤混燒的特性 ,混燒時(shí) NOX、SOX排放量較低 ， 并有效地降低了 CO2的排放量。此外 ， 混燒還能降低燃料消耗、減少化學(xué)組分對(duì)水和土壤的污染。 同時(shí)也提出了有待解決的問(wèn)題 ： (1)含堿的生物質(zhì)灰處理須引起高度注意 ； (2)在焚燒爐內(nèi)燃燒的生物質(zhì)最大粒徑尺寸需要進(jìn)一步研究 ； (3)現(xiàn)有的給料器系統(tǒng)需要重新組裝 ， 因?yàn)樯镔|(zhì)燃料相對(duì)于煤的熱值較低 ， 為達(dá)到同熱量供給 ， 需提高給料器的傳遞速率。 國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)早在 1991年就進(jìn)行了生物質(zhì)燃料的流化床燃 燒技術(shù)研究 ； 浙江大學(xué)提出 了用于不同規(guī)模、各種爐型的生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)的生物質(zhì)利用轉(zhuǎn)化方案。 另外 ， 為了提高生物質(zhì)在小型燃燒裝置上的利用效率 ， 浙江大學(xué)還致力于成型燃燒技術(shù)和流化床混燒技術(shù)的研究。 浙江大學(xué)閻常峰等 [14]設(shè)計(jì)了變截面管式布風(fēng)流化床用以研究不同顆粒粒度、不同床層高度、不同截面流速、 布風(fēng)的均勻性以及非平衡布風(fēng)時(shí)顆粒的流化特性 ， 為測(cè)試燃燒所需物料的流化特性對(duì)焚燒的著火 、 氣化 、穩(wěn)定燃燒及污染物生成特性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)由于其成本低 ， 利用量大 ， 一直被各國(guó)重視。 在我國(guó) ， 直燃生物質(zhì)發(fā) 電技術(shù)主要在有穩(wěn) 定生物質(zhì)原料來(lái)源的制糖廠和林木加工企業(yè)使用較多。 瑞典和丹麥實(shí)行利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計(jì)劃 ， 使生物質(zhì)在提供高品位電能的同時(shí) ， 滿(mǎn)足供熱 需求。 丹麥政府已明令電力行業(yè)必須每年焚燒 140萬(wàn)噸生物質(zhì) ， 一般是在流化床爐上混燒或在爐排爐上全燒 秸稈 [15]。 浙大的金余其等 [16]在電加熱流化床爐中研究了典型垃圾可著火組分揮發(fā)分析出及焦炭燃燒特性 ， 并考察了水分、 床溫等因素對(duì)燃燒的影響 ， 同時(shí)還研究了垃圾中高水分組分的焚燒特點(diǎn)。 研究表明聚合物類(lèi)廢棄物揮發(fā)分析出質(zhì)量速率要比生物質(zhì)類(lèi)廢棄物快 ， 廢棄物的揮發(fā)分析出速率要比煤快得多 ；揮 發(fā)分析出時(shí)間隨床溫的升高而近指數(shù)降低 ， 水分的增加會(huì)延遲揮發(fā)分的析出 ， 但可加速焦炭的燃燒 ； 生物質(zhì)類(lèi)廢棄物焦炭的表觀燃燒速率隨直徑的增大而減小 ； 高水分組分焚燒時(shí)不產(chǎn)生明顯火焰 ， 近似一個(gè)水球蒸發(fā) ， 焚燒時(shí)間與等效表面積、體積直徑成正比。 在生物質(zhì)燃燒過(guò)程中 ， 因生物質(zhì)含有較多的水分和堿性金屬物質(zhì) (尤其是河南科 技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 5 農(nóng)作物秸稈 )， 燃燒時(shí)易引起積灰結(jié)渣損壞燃燒床 ， 還可能發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象 。 加拿大的 Ergudenler等 [17]對(duì)麥稈氣化的燒結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究 ， 得出除溫度外 ， 風(fēng)量也對(duì)燒結(jié)有影響。 美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的 Salour[18]對(duì)稻 草燒結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行了研究 ， 著重分析了灰含量對(duì)燒結(jié)產(chǎn)生的影響。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊勵(lì)丹研究了稻草、玉米稈、 高粱稈在燃燒時(shí) ， 床料溫度、 灰含量 、停留時(shí)間對(duì)燒結(jié)的影響、停留時(shí)間的影響主要表現(xiàn)在結(jié)塊的硬度和尺寸上。 Sugita等 [19]研究了稻殼灰活性與其煅燒溫度之間的關(guān)系以及工程上的可行性 ， 并提出了一種制備高活性稻殼灰的新方法 —— 兩段煅燒法 ， 以避免燒結(jié)。 167。 本課題研究的內(nèi)容 選擇有代表性的生物質(zhì)燃料 秸稈、鋸末，分別以 MnO2， Fe2O3， KMnO4為催化 劑進(jìn)行燃燒反應(yīng)，利用 初步 熱 失 重分析法分析生物質(zhì) 燃料在不同 溫度下燃燒 時(shí) ，燃燒前后質(zhì)量 的變化情況， 利用熱重分析法分析生物質(zhì)燃料燃燒前后質(zhì)量隨溫度 連續(xù) 變化 的 情況， 利用 X射線(xiàn)衍射儀分析 催化劑 燃燒前后的物相變化 。 河南科 技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 6 第 2章 試 驗(yàn) 材料與方法 167。 試驗(yàn) 材料 167。 樣品采集 本試驗(yàn)所選的生物質(zhì)燃料為鋸末、玉米秸稈。 鋸末采自位于聯(lián)盟路的木材加工廠，玉米秸稈采自我市遠(yuǎn)郊的 農(nóng) 田，兩種樣品均采于 3 月 28 日。 167。 試驗(yàn) 儀器 試驗(yàn)所用主要儀器如表 21 所示 。 表 21 儀器 名稱(chēng) 廠家 D8 X 射線(xiàn)衍射儀 日本進(jìn)口 熱重天平 上 海天平 儀器廠 WRT3P 型 電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司 SX2410 型箱式電阻爐 滬南電爐烘箱廠 破碎機(jī) 臺(tái)灣進(jìn)口 標(biāo)準(zhǔn)篩 上虞市實(shí)驗(yàn)儀器廠 167。 試驗(yàn) 試劑 試驗(yàn)所用主要 試劑 如表 22 所示 。 表 22 試劑 名稱(chēng) 廠家 MnO2 天津市大茂化學(xué)試劑廠 Fe2O3 天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠 KMnO4 天津市凱通化學(xué)試劑有限公司 河南科 技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 7 167。 試驗(yàn)方法 本試驗(yàn) 以鋸末、玉米秸稈為生物質(zhì)燃料，選 MnO2， Fe2O3， KMnO4 做催化劑， 分別采用初步熱失重分析法、熱重分析法及 X 射線(xiàn)衍射分析法對(duì)生物質(zhì)燃料與催化劑混合燃燒 的情況，生物質(zhì)燃料、催化劑單獨(dú)燃燒的情況 進(jìn)行了研究分析。 河南科 技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 8 第 3章 催化氧化燃燒工藝研究 167。 定性試驗(yàn) 分別以 MnO Fe2O KMnO4 為催化劑 ， 以鋸末為生物質(zhì)燃料 ，使鋸末與三種催化劑 均以質(zhì)量為 20g/40g 的比例混合均勻， 再 以 MnO Fe2OKMnO4 為催化劑 ， 以 玉米秸稈為生物質(zhì)燃料 ，使玉米秸稈與三種催化劑均以質(zhì)量為 20g/40g 的比例混合均勻， 同時(shí) 取鋸末、玉米秸稈各 20g 作為純樣品。將各均勻混合的樣 品及兩份純樣品均 置于陶瓷盆中 ， 在引發(fā)劑的作用下 ，引發(fā)燃燒，試驗(yàn)現(xiàn)象如表 31 所示 表 31 不同催化條件下的燃燒 現(xiàn)象 催化劑 試驗(yàn)現(xiàn)象 MnO2 自蔓延燃燒，表面溫度可達(dá) 800℃ 左右，持續(xù)燃燒約 30min Fe2O3 自蔓延燃燒，表面溫度可達(dá) 700℃ 左右，持續(xù)燃燒約 30min KMnO4 劇烈燃燒，表面溫度可達(dá) 1000℃ 左右，持續(xù)燃燒約 5min 無(wú)催化劑 引發(fā)燃燒后，很快熄滅 試驗(yàn)表明 ： 生物質(zhì)燃料單獨(dú)燃燒時(shí)，其燃燒過(guò)程很快就結(jié)束 ，燃燒不充分 。 與催化劑混合燃燒時(shí)，其燃燒過(guò)程能夠維持一段時(shí)間。以 KMnO4 為催化劑時(shí)燃燒 劇烈 ， 持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)， 說(shuō)明 KMnO4 被分解，釋放出氧氣 ， 起到助燃的作用。 以 MnO Fe2O3 為催化劑時(shí)，燃燒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明 MnOFe2O3 具有催化劑的特點(diǎn) ，能維持燃料的 持續(xù) 燃燒 。 167。 初步熱失重分析 167。 初步熱失重分析 原理 熱失重就是通過(guò)對(duì)物質(zhì)加熱，使物質(zhì)逐漸揮發(fā)、分解 或燃燒 ，測(cè)量 它 隨溫度升高 時(shí) 重量的變化 。 本試 驗(yàn)所說(shuō)的 初步 熱失重是具體指生物質(zhì)燃料在一定溫度下燃燒，燃燒后質(zhì)量減小的一種現(xiàn)象。生物質(zhì)燃料單獨(dú)燃燒，以空氣河南科 技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 9 為氧化劑，其燃燒前后質(zhì)量變化，與催化劑存在的情況 下，其燃燒前后質(zhì)量的變化是不同的。 本試 驗(yàn)的 初步 熱失重分析在不同溫度下進(jìn)行，將同一溫度下生物質(zhì)燃料燃燒前后質(zhì)量變化的數(shù)據(jù)，與加入催化劑的條件下生物質(zhì)燃料燃燒前后質(zhì)量變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。分析同一溫度，不同燃燒條件下生物質(zhì)燃料的熱失重?cái)?shù)值，通過(guò)分析數(shù)據(jù)， 得出結(jié)論。 167。 以 MnO2 為催化劑的初步熱失重 分析 選 MnO2 為催化劑，以鋸末為生物質(zhì)燃料，取催化劑與生物質(zhì)燃料質(zhì)量比為 2。分 3 個(gè)樣： (1)鋸末， (2)MnO2， (3)鋸末、 MnO2 混合物。分別放入已稱(chēng)重的坩堝內(nèi)， 600℃條件下在箱式電阻爐中煅燒 1h。分別稱(chēng)量其煅燒前后總質(zhì)量。 此試驗(yàn)步驟重復(fù)三次，做三組平行試驗(yàn)。 采用三組