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生物质成型燃料及其耦合无序孔道网络堆积体热解机理研究
结题报告
批准号:
51806242
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
周宇光
依托单位:
学科分类:
E0607.可再生能源与新能源利用中的工程热物理问题
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵楠、牟华伟、张翼翔、张宗喜、司展、陈德颍、郑海洲
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中文摘要
我国北方农村地区推广生物质成型燃料替代散烧煤清洁取暖需求巨大。生物质成型燃料通常在户用采暖炉具内呈堆积体布放,形成物质与无序孔道网络耦合的特殊结构,加之自然引风条件下烟气流场属介于层流和湍流间的过渡态,无法直接套用传统的生物质热解机理解释该过程。.基于燃料在过渡态流动气氛下热解过程呈现出的分层特征,本项目将结合模型模拟与实验研究,探明燃料单颗粒、薄层在过渡态流动氛围下热解的物质迁移、转化路径与能量传递机理;构建基于分形理论的孔道网络堆积体动态热解模型,揭示多因素协同扰动下堆积体内能流网络这一“黑箱过程”的变化机制。运用仪器分析手段,追踪、定位、解析热解产物经随机路径与相邻薄层(不同热解阶段)物质共反应生成的次级产物,逆向解构过渡态气氛下气-固、气-气跨层反应机理,阐明无序孔道网络下热解条件与产物的内在关联机制。预期将推动生物质成型燃料清洁取暖装置技术进步,提高能量利用效率,减少污染物排放。
英文摘要
The demand of biomass pellet fuels using as an alternative for clean space heating instead of raw coal is booming in rural areas of Northern China. Biomass pellets are often placed inside chamber of a stove as multiple-deck stacked bulk state, resulting in a coupling structure of both fuels and disordered porous network. Moreover, the flow field under natural airflow draft is a transition state between laminar flow and turbulent flow, which could not be directly described by traditional mechanism for biomass pyrolysis..Since the pellets showed significant layers during pyrolysis, this project combines modeling, simulation and experimental analysis to determine the migration and transformation paths of pyrolyzed products and energy transfer mechanism of single kernel and thin layer of biomass pellets under the transition flow atmosphere. A dynamic pyrolysis model based on fractal theory will be established to tackle the black box process for energy and flow network of biomass pellet multiple-deck stacked bulk under multiple-factor synergistic disturbance. It is proposed that secondary products generated from co-reaction between pyrolysis products and adjacent layer at different pyrolysis stages will be tracked, determined and analyzed by hi-resolution instruments. Reverse deconstructions of gaseous-solid and gaseous-gaseous reaction mechanisms under transition atmosphere will be performed to convince the internal co-mechanism of pyrolysis conditions and product based on disordered porous network. It is expected that the results of the investigation will promote the development of clean space heating technology using biomass pellet fuels, improve the energy utilization efficiency and reduce the emissions.
生物质颗粒成型燃料因其来源广泛、热值高、含硫量低等特点,在我国农村清洁取暖工程建设中受到广泛关注。本项目实施期间,设计了生物质颗粒-薄层-成型燃料的不同体积梯度热解/燃烧实验,进行了生物质热解/燃烧动力学行为研究;研究了热解条件和燃料理化特性对原料氮元素转化、迁移特征的影响,系统探究了NOx前驱物形成机理;开发了基于氢元素的燃料含水率在线测试方法,探究了生物质含水率、组分配比对燃料热解/燃烧过程热分布及污染物排放因子的动态影响及作用机制。.(1)利用TGA-FTIR技术与快速热解-气相色谱试验平台,研究了典型农业生物质废弃物(玉米秸秆、花生壳和核桃壳)的气化行为及气态产物特性,结果表明高温能够促进生物质热解产生CO、H2和CH4,其中核桃壳在850°C产生的可燃气含量最高。.(2)基于管式炉热解系统研究了枫木和玉米秸秆生物质在不同温度热解特性,并梳理了生物质氮元素的迁移、转化路径。结果表明两种原料中的燃料氮主要以蛋白质-氮、酰胺-氮(N-A)和无机氮官能团(N-IN)的形式存在。焦炭中的氮官能团主要是杂环-N,而焦油中为胺-N、杂环-N和少量腈-N官能团。NH3是最主要的NOx前驱物,85%以上的NH3-N由原料中N-IN和N-A基团以及焦油中胺-A基团在低温(<550℃)下转化形成。焦油中的胺-N基团可以通过低温下的脱氢反应产生HCN,而大约50%的HCN-N源自焦油和焦炭中的杂环-N在高温下的开环/缩合反应。.(3)开发了基于氢元素的燃料含水率在线测试,实现了CO、NO、NO2、SO2和PM2.5等典型污染物排放的高精度在线测定;通过添加生物质三素制备木质和秸秆类复配颗粒燃料,研究了三素配比对燃料发热量、热分解以及排放性能的影响,结果表明调控生物质三素配比有助于降低生物质颗粒燃料着火温度,提高燃料综合燃烧特征指数,并有效降低了NO和PM2.5排放因子。以上项目研究结果将为生物质成型燃料的清洁化利用提供理论及技术支持。
期刊论文列表
专著列表
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Evaluation of PAHs, PM2.5 and gaseous emissions from solid fuel direct-fired and cross-draft stoves
固体燃料直燃炉和贯流炉的 PAHs、PM2.5 和气体排放评估
DOI:10.1080/03067319.2020.1737036
发表时间:2020-03
期刊:International Journal of Environmental Analytical Chemistry
影响因子:2.6
作者:Tohniyaz Bahargul;Zhao Nan;Mperejekumana Philbert;Zhou Yuguang;Chen Deying;Li Gang;Molelekwa Gomotsegang Fred;Zayan Ali Mohammed Ibrahim;Dong Renjie
通讯作者:Dong Renjie
Estimating winter wheat straw amount and spatial distribution in Qihe County, China, using GF-1 satellite images
利用高分一号卫星影像估算中国齐河县冬小麦秸秆数量及空间分布
DOI:10.1063/5.0033639
发表时间:2021-02
期刊:Journal of Renewable and Sustainable Energy
影响因子:2.5
作者:Mou Huawei;Li Huan;Zhou Yuguang;Zheng Yongjun;Dong Renjie;Cao Jinxin
通讯作者:Cao Jinxin
DOI:10.1016/j.csite.2021.101484
发表时间:2021-09
期刊:Case Studies in Thermal Engineering
影响因子:6.8
作者:Zhao Nan;Li Bowen;Ahmad Riaz;Ding Fan;Zhou Yuguang;Li Gang;Zayan Ali Mohammed Ibrahim;Dong Renjie
通讯作者:Dong Renjie
DOI:10.1016/j.joei.2019.06.010
发表时间:2020-04-01
期刊:JOURNAL OF THE ENERGY INSTITUTE
影响因子:5.7
作者:Zhao, Nan;Li, Bowen;Ju, Xinxin
通讯作者:Ju, Xinxin
DOI:https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.110683
发表时间:2021
期刊:Environmental Research
影响因子:--
作者:Nan Zhao;Bowen Li;Huan Li;Gang Li;Rucong Wu;Quan Hong;Philbert Mperejekumana;Shan Liu;Yuguang Zhou;Riaz Ahmad;Ali Mohammed Ibrahim Zayan;Crispin Pemberton-Pigott;Renjie Dong
通讯作者:Renjie Dong
基于㶲变-能值复合分析的户用生物质清洁取暖炉具碳减排评估方法
  • 批准号:
    42177431
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    56万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    周宇光
  • 依托单位:
南南合作居民生活用能清洁化技术培训
  • 批准号:
    41942006
  • 项目类别:
    专项基金项目
  • 资助金额:
    8万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    周宇光
  • 依托单位:
国内基金
海外基金