生物質(zhì)高溫氣流床氣化制取合成氣的機理試驗研究.pdf

1、生物質(zhì)能的開發(fā)和利用可緩解當今常規(guī)能源短缺和環(huán)境污染所帶來的壓力，如何能有效地使生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成高品位的液體燃料成為目前研究的焦點。本文基于國內(nèi)外在生物質(zhì)間接液化制取液體燃料領(lǐng)域已經(jīng)開展的研究工作，對生物質(zhì)定向氣化大規(guī)模制取合成氣技術(shù)路線進行了理論探討，并對生物質(zhì)氣流床氣化進行了深入的試驗研究和動力學分析。 本文首先介紹了研究背景。在著重對比分析幾種主要的生物質(zhì)液化技術(shù)基礎(chǔ)之上，得出了生物質(zhì)間接液化在制取液體燃料過程中的優(yōu)勢。生物質(zhì)

2、間接液化的關(guān)鍵在于合成氣的制取，于是從生物質(zhì)氣化工藝出發(fā)，結(jié)合煤基合成氣氣化技術(shù)，總結(jié)出生物質(zhì)氣流床氣化在大規(guī)模制取合成氣過程中具有廣闊的發(fā)展前景。然后，對生物質(zhì)氣流床氣化制取合成氣的研究進行了綜述，并得出生物質(zhì)氣流床氣化的技術(shù)難點主要是：灰的特性、顆粒研磨、原料給料和系統(tǒng)高效加壓。為了系統(tǒng)地開展相關(guān)領(lǐng)域的試驗及理論研究，根據(jù)氣流床氣化原理，自行設計與搭建了一套小型生物質(zhì)高溫氣流床氣化試驗臺，對其進行了介紹。 為了研究生物質(zhì)在氣

3、流床氣化過程中的氣化特性及殘?zhí)刻匦?，利用小型氣化系統(tǒng)對木屑進行了氣化試驗，主要考查了反應溫度和氧氣/生物質(zhì)比對煤氣組分、碳轉(zhuǎn)化率、氣化產(chǎn)物分布以及殘?zhí)刻匦缘挠绊?。結(jié)果表明，生物質(zhì)氣流床氣化具有合成氣含量高，碳轉(zhuǎn)化率高，煤氣產(chǎn)率高，CH<,4>和焦油含量少的優(yōu)點。為了正確地解釋上述試驗數(shù)據(jù)，綜合分析了氣流床氣化爐內(nèi)的流動和加熱特性，從基本的微分方程入手，用數(shù)值方法對生物質(zhì)單顆粒在氣流床內(nèi)的氣化過程進行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示，該數(shù)值計算能夠較好

4、地模擬生物質(zhì)單顆粒在氣流床氣化過程中的加熱過程、停留過程和質(zhì)量變化過程，并能與試驗結(jié)果較好吻合。 針對堿金屬及其相關(guān)無機元素在生物質(zhì)氣流床氣化中的揮發(fā)問題，進行了木屑在不同反應溫度下和不同氧/生物質(zhì)配比下的氣化試驗，對其殘?zhí)窟M行了收集，并通過ICP及EDX-SEM儀器對殘?zhí)炕页煞趾蜌執(zhí)啃螒B(tài)進行分析，得出了無機元素在生物質(zhì)氣流床氣化過程中析出揮發(fā)規(guī)律。然后，采用三種不同的助熔劑，分別以不同的比例添加到稻殼和水曲柳兩種生物質(zhì)中，再吹

5、入到氣流床中進行氣化，來考查助熔劑在生物質(zhì)氣流床氣化過程中對生物質(zhì)堿金屬及其相關(guān)元素的固留影響，最后選出了合適的助熔劑及添加比例。 為了考查氣化參數(shù)對生物質(zhì)氣流床氣化過程的影響，利用小型生物質(zhì)氣流床氣化系統(tǒng)對生物質(zhì)的熱解及氣化特性進行了試驗研究。研究了反應溫度、氧氣/生物質(zhì)比率(O/B)、水蒸汽/生物質(zhì)比率(S/B)以及停留時間對不同生物質(zhì)氣流床氣化合成氣組分的影響。研究表明，反應溫度是影響生物質(zhì)熱解和氣化最重要因素；生物質(zhì)在常

6、壓氣流床氣化生成合成氣最佳O/B范圍為0.2～0.3(1300℃)；高溫氣化時合成氣中CH<'4>含量很低；停留時間為1.6s時其氣化反應基本完畢；加大水蒸氣含量可增加H<,2>/CO比率，但水蒸汽的過多引入會影響煤氣產(chǎn)率。 為了給生物質(zhì)氣流床氣化反應過程和最終狀態(tài)進行系統(tǒng)詳盡地描述，為此，綜合考慮平衡模型和動力學模型的優(yōu)點，結(jié)合生物質(zhì)半焦與水蒸汽及CO<,2>氣化反應動力學的試驗數(shù)據(jù)，建立了一個全面描述生物質(zhì)氣流床氣化過程的動

7、力學模型。并從系統(tǒng)反應進程和最終煤氣組分兩方面與生物質(zhì)小型氣流床氣化試驗進行對比驗證，確認了該動力學模型的可靠性。表明所建模型可以用于預測氣化參數(shù)對生物質(zhì)氣流床氣化的影響特性。為了考查烘焙預處理對生物質(zhì)固體產(chǎn)率、能量產(chǎn)率、顆粒研磨及在氣流床氣化過程中總體效率的影響，本文在一套小型烘焙試驗臺上，對四種不同種類的生物質(zhì)進行烘焙試驗，并對研磨過的固體產(chǎn)物進行粒徑分析，最后在小型生物質(zhì)氣流床上進行了氣化試驗。結(jié)果表明，生物質(zhì)的能量密度隨著烘焙溫