生物质三组分燃烧特性及动力学研究开题报告

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1. 研究目的与意义

随着全球经济和工业的迅速发展，能源可持续发展已经各国首要考虑的问题。人类的诸多活动如做饭、取暖、制造、发电和交通运输等都需要能源的支持，因此能源供应是现代社会的基本需求。大部分能源的供给来源于燃料的燃烧，由于化石燃料消耗殆尽，开发清洁可再生燃料已经迫在眉睫。

植物通过光合作用将太阳能转化为化学能并存储在生物质中，这种形式的能量成为生物质能，它是以生物质为载体的能量。人类很早就开始使用生物质来满足日常生活中的能源需求，尤其是在农村地区，它往往是唯一可获得和负担得起的能源。生物质能源是当今能源的重要组成部分之一，它可以减少我们对传统化石燃料产品的依赖。目前，在世界能源消耗中，生物质占总能耗的14%，是全球第四大能源。生物质是许多发展中国家的主要能源，这一比例高达20%至33%，但对工业化国家来说，生物质约占总能源供应的9%至14%。在发展中国家的较贫困地区，很大一部分居民采用生物质燃料来烹饪和取暖，而不是用于商业目的。通过一些化学、物理和生物转化过程，生物质可以转化为固体、液体和气体燃料。当今，生物质能源被广泛应用于工业化国家的发电、运输燃料和重工业热能生产等。

生物质燃料分布范围广、资源丰富，它可通过植物的光合作用进行再生产且转化和利用技术多种多样。现阶段已有诸多生物质利用技术应用于生产实践中。包括生物质与煤共燃技术、生物质气化技术、生物质热解技术等。同时，就环境问题而言，生物质能源有较好的利用前景。生物质利用过程中具有co₂零排放特性，而且生物质中硫、氮等元素含量较低，燃烧后产生的污染有害气体和灰尘排放量比化石燃料小得多，因此应用生物质能源可有效的保护环境。此外，生物质能源主要来源于木材及其废弃物(64%)，其次是城市固体废弃物(24%)、农业废弃物(5%)和垃圾填埋气体(5%)。秸秆焚烧、城市垃圾处理不仅使大量的生物质能源未得到有效利用，而且造成了环境污染问题。加强对合理利用生物质能源的研究，不仅可以缓解能源危机，还可以有效地解决垃圾处理问题，并循环利用一些废弃物，达到节能的效果。只有深入研究生物质的燃烧特性，才能更有效地燃烧利用农业生物质，使生物质的能源利用率达到最高，从而解决能源供应不足的问题。同时，生物质主要由3组分组成，它们占据了生物质90%以上的质量。因此研究生物质燃料的燃烧特性，就得了解生物质三组分的燃烧特性。

2. 国内外研究现状分析

目前，我们已掌握了许多有关生物质燃料燃烧方面的物理、化学机理，并在有些方面进行了计量。但是，对于生物质燃料的直接燃烧尚未达到完全了解的程度。国内对生物质燃烧特性的研究较多，本文将对部分研究进行分析与总结。

刘建禹等认为生物质燃料的燃烧过程可分作：预热、脱水、挥发分析出和焦碳燃烧等过程，其中产生火焰的燃烧过程主要包括两个阶级:即挥发分析出燃烧和焦碳燃烧，前者约占燃烧时间的10%，后者则占90%^[3]。生物质燃料具有结构松散和挥发分含量高的特点，因此其挥发分析出时间较短，若不能及时供应空气，将会导致燃料的不完全燃烧，产生黑色排烟。同时，挥发分燃烧完全时，剩余的焦炭较疏松，易被运动的气流裹入烟道形成黑絮，因此要避免燃烧室内通风速度过高。此外，挥发分完全燃烧后产生的灰烬会覆盖在焦炭的表面，导致空气较难渗透到焦炭表面，造成灰烬中残留焦炭。因此为了提高焦炭的利用率，要适当进行捅火或加强炉蓖的通风。

闵凡飞等采用淮北平原的小麦秸秆和玉米芯作为实验样本，然后通过tg-dtg-dta热分析联用技术来研究它们的燃烧模式和燃烧特性。他们指出在含氧气氛中，燃料燃烧转化的路径有三种，第一种是燃料先热解，生成挥发分和固定碳, 然后挥发分和固定碳着火燃烧，第二种是热解生成物同时发生多相氧化燃烧并产生相应的燃烧产物，第三种介于第一种与第二种燃烧模式之间^[4]。本实验采用微分热重技术来研究其燃烧动力学路径，由dtg曲线可知，小麦秸秆是典型的第 二种燃烧模式，而玉米芯的燃烧是第三种模式。因此可以得出，不同的生物质燃料具有不同的燃烧模式，不能一概而论，要对其燃烧特性进行具体的分析。闵凡飞等人采用热分析联用技术对2种生物质进行了tg-dta-dtg综合分析，实验结果表明两种生物质的最大脱水速率所对应的温度相差不大，这说明了这两种生物质所含水量相近。同时，着火温度方面，小麦秸秆低于玉米芯，说明小麦秸秆更易着火。此外，燃尽温度方面，小麦秸秆高于玉米芯, 说明小麦秸秆的燃尽特性比玉米芯差，主要原因是小麦秸秆含有更多灰分。在燃烧速率方面，小麦秸秆的挥发分和固定碳燃烧速率都大于玉米芯，这是由于小麦秸秆的着火温度较低和其中 含有较多的灰分对其燃烧有催化作用。从综合燃烧特性指数来看，小麦秸秆的燃烧特性指数大于玉米芯，可见小麦秸秆的燃烧特性要比玉米芯更好。闵凡飞等人对样本生物质的燃烧动力学性质进行分析，结果表明在挥发分释放和燃烧阶段，小麦秸秆的活化能大于玉米芯，但是由于其它因素的影响，小麦秸秆的着火燃烧更容易发生。两种生物质在固定碳燃烧阶段的活化能相差不大，因此生物质的燃烧动力学性质主要与挥发分释放阶段有关。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：（1）综述当前生物质尤其是木质纤维素类生物质燃烧研究现状，综述纤维素、半纤维素和木质素燃烧国内外相关研究进展；（2）学会并熟练操作使用元素分析、工业分析、发热量分析、灰熔点分析及热重分析等相关设备及分析方法，选取微晶纤维素、木聚糖和碱性木质素为实验研究对象，分析其转化过程及相关动力学特征。

研究计划：（1）开题阶段（2019.1.20前）：根据指导教师所给课题，初步确立设计方向。

学生查阅与毕业论文（设计）相关的文献，作为设计的重要依据。

4. 研究创新点

本课题采用微晶纤维素、木聚糖、碱木素3种原料进行生物质三组分的燃烧特性研究。如今对各类生物质的燃烧特性研究已经较为深入，但对于生物质三组分的研究却较少，本文通过对这三组分的TG-DTG曲线进行分析，从而对其燃烧特性和燃烧动力学进行研究。