从森林残余物中回收能源：朗肯循环的热力学建模

可持续能源背景下大学校园非工业林维护生物质能潜力研究。通过物理化学特性分析（固定碳20.14-22.45%、HHV18.63-19.59MJ/kg）和热力学模型模拟（耦合锅炉与Rankine循环，峰值出力63.32kW），揭示了高异质生物质流在校园废弃物资源化中的可行性，提出热交换器优化方案可提升整体效率，为低质生物质能源系统设计提供新范式。

　　

摘要

对可持续能源解决方案需求的增加加剧了人们对木质纤维素生物质作为化石燃料可再生替代品的兴趣。本研究评估了巴西南部一所大学校园内维护活动中产生的生物质能源潜力，这些生物质资源通常未被充分用于能源回收。尽管管理不善，但这些废弃物为废物增值和可再生能源生产提供了一条可行的途径。通过初步分析和最终分析以及对水分含量和高位热值（HHV）的测定，对生物质进行了全面的物理化学表征。生物质分析结果显示：固定碳含量为20.14–22.45%，挥发性物质含量为76.02–77.95%，灰分含量为1.56–2.39%，热值为18.63–19.59 MJ/kg。最终分析得出碳含量为46.10–48.79%，氢含量为5.96–6.35%，氧含量为44.30–47.14%，氮含量为0.32–0.79%。为了评估其能源回收潜力，使用稳态热力学模型模拟了每小时50公斤木质纤维素生物质在焚烧系统与朗肯循环发电厂耦合条件下的燃烧过程，实现了63.32千瓦的峰值输出。该研究的创新之处在于对这种高度异质的生物质流的能源回收潜力进行了建模，而这一领域在文献中鲜有探讨。本研究为使用低品质、异质生物质燃料设计能源系统提供了宝贵的数据和建模见解。此外，研究还展示了如何通过优化朗肯循环中的热交换器来提高整体效率。这些发现推动了废物转化为能源的策略，并为未来将这种方法应用于不同地区和类型的生物质废弃物开辟了研究方向。

图形摘要

对可持续能源解决方案需求的增加加剧了人们对木质纤维素生物质作为化石燃料可再生替代品的兴趣。本研究评估了巴西南部一所大学校园内维护活动中产生的生物质能源潜力，这些生物质资源通常未被充分用于能源回收。尽管管理不善，但这些废弃物为废物增值和可再生能源生产提供了一条可行的途径。通过初步分析和最终分析以及对水分含量和高位热值（HHV）的测定，对生物质进行了全面的物理化学表征。生物质分析结果显示：固定碳含量为20.14–22.45%，挥发性物质含量为76.02–77.95%，灰分含量为1.56–2.39%，热值为18.63–19.59 MJ/kg。最终分析得出碳含量为46.10–48.79%，氢含量为5.96–6.35%，氧含量为44.30–47.14%，氮含量为0.32–0.79%。为了评估其能源回收潜力，使用稳态热力学模型模拟了每小时50公斤木质纤维素生物质在焚烧系统与朗肯循环发电厂耦合条件下的燃烧过程，实现了63.32千瓦的峰值输出。该研究的创新之处在于对这种高度异质的生物质流的能源回收潜力进行了建模，而这一领域在文献中鲜有探讨。本研究为使用低品质、异质生物质燃料设计能源系统提供了宝贵的数据和建模见解。此外，研究还展示了如何通过优化朗肯循环中的热交换器来提高整体效率。这些发现推动了废物转化为能源的策略，并为未来将这种方法应用于不同地区和类型的生物质废弃物开辟了研究方向。

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