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生物质催化裂解气化特性研究

作　者: 武志敏
导　师: 罗勇
学　校: 石家庄铁道大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 生物质催化裂解气化气体能产率反应动力学人工神经网络
分类号: TK6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

以白松锯末为生物质原料，借助自制的二级固定床热解装置研究了生物质催化裂解的气化特性；利用实验数据分析了实验条件对表观活化能的影响；研究了催化剂以及实验条件对气体能产率的影响；建立了人工神经网络模型，对不同条件下的生物质催化裂解气化特性进行了预测。首先以价格较为低廉的两种多孔熟料(高铝质多孔熟料和粘土质多孔熟料)为催化剂，详细研究了气化介质、催化裂解温度、生物质原料粒径和催化剂粒径等条件对生物质催化裂解气化特性的影响。结果表明：无论是否通入水蒸汽，在相同的催化裂解温度下，高铝质多孔熟料的催化效果均优于粘土质多孔熟料；水蒸汽作为气化介质较氮气的气化效果好；提高催化裂解温度有利于生物质的催化裂解气化；原料粒径与气化特性有一定的关系，在实验条件下，粒径介于0.1~1mm的小颗粒生物质比大颗粒的效果好；就催化剂的粒径而言，在实验条件下，粒径为1~3mm的催化剂的催化效果较好。其次建立了生物质气化焦油催化裂解反应动力学模型并求出动力学参数，从理论上对生物质催化裂解气化特性进行分析。结果表明：不催化时的表观活化能是三种实验条件下最高的。以多孔熟料作为催化剂时表观活化能有所减小，说明多孔熟料对焦油有较好的催化作用。以多孔熟料作为催化剂并且加入水蒸汽时，活化能进一步下降，说明水蒸汽的加入有助于焦油的催化裂解。在详细研究了生物质催化裂解气化特性的基础上，分别以特种焦、煅烧后的白云石(以下简称白云石)、高铝质多孔熟料(以下简称多孔熟料)为裂解催化剂，以获得高气体能产率为目标，研究了不同工况下的气体能产率以及焦油转化率。结果表明：特种焦作用下气体能产率最高，白云石次之，多孔熟料最差。借助扫描电镜(SEM)对特种焦、白云石、多孔熟料三种催化剂使用前后的微观形貌进行观测，分析了催化剂的微观结构与其催化特性的关联性，指出催化剂的微观结构对生物质的气体能产率有较大影响，催化剂的比表面积、孔隙率、孔径分布以及孔隙结构的无序度等因素均影响其活性。为了预测生物质催化裂解的气化特性，建立了三个BP人工神经网络模型，三个模型分别以多孔熟料的热解温度和催化裂解温度、白云石的比表面积和催化裂解温度、特种焦的S/B(Steam/Biomass)值和催化裂解温度为输入变量，以气体能产率和焦油转化率为输出变量，程序输出结果显示：模型1、模型2、模型3的最大相对误差分别为1.9601%、－8.6923%和8.0022%。表明在一定的条件下，建立神经网络模型预测生物质的催化裂解气化特性是可行的。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-20
  1.1 开发利用生物质能的意义  11
  1.2 生物质能的利用方法  11-13
  1.3 生物质催化裂解气化的国内外研究现状  13-17
    1.3.1 气化技术的国内外研究现状  14-15
    1.3.2 催化剂的国内外研究现状  15-17
  1.4 研究内容及主要创新点  17-20
    1.4.1 本研究的目的和意义  17-18
    1.4.2 主要研究内容  18-19
    1.4.3 本文的主要创新点  19-20
第二章生物质催化裂解气化特性的实验研究  20-38
  2.1 生物质原料及催化剂  20
  2.2 实验装置和方法  20-24
    2.2.1 实验装置  20-22
    2.2.2 实验方法  22-24
    2.2.3 测试仪表  24
  2.3 催化裂解气化效果的评价方法  24
    2.3.1 产气率  24
    2.3.2 焦油转化率  24
  2.4 生物质催化裂解气化特性的实验研究  24-36
    2.4.1 催化剂对生物质催化裂解气化特性的影响  25-27
    2.4.2 水蒸汽对生物质催化裂解气化特性的影响  27-31
    2.4.3 催化裂解温度对生物质催化裂解气化特性的影响  31-33
    2.4.4 生物质原料粒径对生物质催化裂解气化特性的影响  33-34
    2.4.5 催化剂粒径对生物质催化裂解气化特性的影响  34-36
  2.5 本章小结  36-38
第三章生物质气化焦油催化裂解反应动力学分析  38-44
  3.1 引言  38-39
  3.2 生物质气化焦油催化裂解反应动力学模型  39-43
    3.2.1 动力学基本表达式  39-40
    3.2.2 生物质气化焦油催化裂解反应动力学模型  40-42
    3.2.3 生物质气化焦油催化裂解反应动力学模型参数求解  42-43
  3.3 本章小结  43-44
第四章催化剂微观结构与生物质催化裂解气化特性的关系  44-59
  4.1 引言  44
  4.2 生物质原料及催化剂  44-45
  4.3 实验装置和方法  45-46
    4.3.1 测试仪表  45
    4.3.2 气体能产率的定义及其测定方法  45-46
  4.4 不同催化剂作用下生物质气化特性研究  46-53
    4.4.1 多孔熟料的催化效果研究  46-48
    4.4.2 白云石的催化效果研究  48-49
    4.4.3 特种焦的催化效果研究  49-50
    4.4.4 三种催化剂的催化效果比较  50-53
  4.5 催化剂微观结构与生物质催化裂解气化特性的关联性  53-57
    4.5.1 催化剂使用前的微观形貌  53-55
    4.5.2 催化剂使用后的微观形貌  55-56
    4.5.3 催化剂微观结构对生物质催化裂解气化特性的影响  56-57
  4.6 本章小结  57-59
第五章生物质催化裂解气化特性的数值模拟及预测  59-73
  5.1 引言  59
  5.2 人工神经网络的分类  59-60
  5.3 人工神经网络模型的建立  60-72
    5.3.1 神经网络模型的选择  60-61
    5.3.2 输入输出变量的选择  61
    5.3.3 隐含层和隐层节点个数的选择  61-62
    5.3.4 传递函数的选择  62
    5.3.5 学习速率  62-63
    5.3.6 算法的选择  63
    5.3.7 神经网络模型对生物质催化裂解气化特性的模拟及预测  63-72
  5.4 本章小结  72-73
第六章结论和展望  73-75
  6.1 主要结论  73-74
  6.2 研究展望  74-75
参考文献  75-80
致谢  80-81
个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文  81

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