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生物质气流床气化特性及半焦气化动力学研究

作　者: 曹小伟
导　师: 周劲松；余春江
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 生物质气流床气化反应性灰熔融性
分类号: TK229
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着化石燃料资源的日益减少以及化石燃料利用过程对环境造成的巨大破坏，生物质能的资源化利用正受到越来越多的重视。石油是能源中最短缺的资源，而生物质能是唯一能转变成液体燃料的可再生资源，如何能有效地把生物质转化为液体燃料成为研究的热点。本文在分析了生物质问接液化的优点之后，提出了利用气流床气化生物质制取合成气。在论证气流床气化可行性的基础上，通过搭建小型实验台，采用试验和理论分析相结合方式，开展了气流床气化特性、半焦气化反应动力学以及灰熔融特性研究。研究结果对于了解生物质气流床气化机理具有重要的意义，为今后的相关技术的研发打下坚实的基础。本文首先论证了生物质气流床气化制取合成气可行性及路线选择，并综述了生物质气流床气化在国内外的研究状况。根据气流床气化的原理，自行设计了小型气流床气化实验台，介绍了实验台的概况以及各组成部分的性能，并研究了气化炉内的流场与温度场。选用常见生物质在气化炉中进行了热解、纯氧气化、水蒸汽气化等研究，考察了原料粒度、O/B、S/B、温度等因素对热解气化产物的影响。实验表明，粒度越小，越有利于气体产物的生成；O/B增加，促进碳转化率增加，但H₂产量减少，CO产量先增加后减少，不同的生物质存在一个最佳的O/B范围；S/B增大有利于H₂产量增加，H₂/CO达到1.35，CO₂浓度也增加，S/B控制在0.6～0.8左右H₂的产量最大；温度升高有利于碳转化率增大，冷煤气效率及H₂浓度增加，1400℃水蒸汽气化时，H₂/CO达到1.6。在设计气化炉与模拟气化反应过程时，需要热解与气化的动力学参数，本文研究了生物质半焦水蒸汽气化与CO₂气化的动力学特性。研究表明三种生物质的反应活性表现出相同的趋势，随着转化率的增加，反应速率先增加后减少，反应性一直增加，同时发现不同半焦的反应性存在一定的差异，另外水蒸汽气化的反应速率是CO₂气化时的2倍。水蒸汽气化可以采用未反应收缩核模型来描述，CO₂气化则采用混合模型比较精确。为了能够满足气流床气化炉液态排渣的要求，研究了生物质灰的性质及其熔融特性。选用煤基添加剂CaO/Fe₂O₃以及低灰熔点的煤灰作为助熔剂，实验发现Fe₂O₃与煤灰添加适量时能够较好地降低稻壳灰熔点；助熔剂对半焦气化存在一定的催化作用，但添加量存在一个最佳值。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-19
  1.1 开发生物质能的意义  10-11
  1.2 生物质能开发利用现状与前景  11-13
  1.3 本文研究背景及生物质液化技术的发展  13-18
    1.3.1 生物质热解制取生物油  13-14
    1.3.2 生物化学法生产燃料乙醇  14
    1.3.3 生物柴油技术  14-15
    1.3.4 生物质间接液化  15-18
  1.4 本文研究内容  18-19
第二章生物质气流床气化可行性分析及研究现状  19-32
  2.1 生物质气流床气化可行性分析  19-25
    2.1.1 气流床气化的基本原理  19-21
    2.1.2 生物质制取合成气系统途径的选择  21-25
  2.2 生物质气流床气化研究进展  25-31
    2.2.1 荷兰能源研究所(ECN)  25-27
    2.2.2 德国化学技术研究所与科林集团(CHOREN)  27-28
    2.2.3 荷兰BTG  28-29
    2.2.4 瑞典皇家工学院(KTH)与ECN  29-30
    2.2.5 意大利研究机构  30-31
    2.2.6 国内研究状况  31
  2.3 本章小结  31-32
第三章生物质气流床气化小型实验台设计与调试  32-40
  3.1 引言  32
    3.1.1 实验台设计目标  32
    3.1.2 设计基本参数  32
  3.2 生物质气流床设计  32-36
    3.2.1 实验台总体布局  32-33
    3.2.2 气化炉主体反应器  33-34
    3.2.3 给料装置及其特性  34-35
    3.2.4 气化剂预热系统  35-36
    3.2.5 合成气预处理系统与气体检测系统  36
  3.3 单颗粒生物质在气流床内的运动特性  36-39
    3.3.1 气化炉流场状态分析  36-37
    3.3.2 停留时间的估算  37-38
    3.2.3 反应炉内流动与温度特性的模拟  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章生物质在高温气流床中的热解与气化研究  40-57
  4.1 引言  40
  4.2 生物质在气流床中的快速热解  40-47
    4.2.1 试验步骤及与数据处理方法  41-43
    4.2.2 实验结果讨论  43-47
      4.2.2.1 热解温度对生物质快速热解产物分布的影响  43
      4.2.2.2 热解温度对不可凝气体产物分布的影响  43-44
      4.2.2.3 热解温度对半焦结构的影响  44-46
      4.2.2.4 颗粒粒度对热解产物的影响  46-47
  4.3 生物质在气流床中的纯氧气化特性  47-52
    4.3.1 氧气生物质比对气化的影响  47-48
    4.3.2 实验步骤与数据处理  48
    4.3.3 实验结果讨论  48-52
      4.3.3.1 氧气生物质比对气化产物的影响  48-51
      4.3.3.2 温度对纯氧气化的影响  51-52
  4.4 生物质在气流床中水蒸汽气化特性  52-55
    4.4.1 水蒸汽对生物质气化的影响  52
    4.4.2 实验步骤与数据处理方法  52-53
    4.4.3 实验结果及分析  53-55
      4.4.3.1 水蒸汽生物质比对气化产物组成的影响  53-54
      4.4.3.2 温度对水蒸汽气化的影响  54-55
  4.5 本章小结  55-57
第五章生物质半焦气化动力学研究  57-78
  5.1 引言  57-61
    5.1.1 焦炭气化过程及影响因素  57-58
    5.1.2 焦炭气化反应动力学方程  58-61
  5.2 生物质半焦水蒸汽气化动力学研究  61-70
    5.2.1 C+steam的反应机理及实验研究  61-63
    5.2.2 生物质半焦制备  63
    5.2.3 实验方法  63-64
    5.2.4 实验数据检测与处理  64
    5.2.5 试验结果讨论及分析  64-70
      5.2.5.1 温度对生物质半焦气化产物的影响  64-66
      5.2.5.2 各种生物质半焦的反应性  66-67
      5.2.5.3 生物质半焦水蒸汽气化反应动力学参数确定  67-70
  5.3 生物质半焦CO_2反应性研究  70-77
    5.3.1 C+CO_2的反应机理及实验研究  70-71
    5.3.2 生物质焦炭与CO_2反应性测定方法  71
    5.3.3 实验数据处理  71-72
    5.3.4 结果讨论与分析  72-77
      5.3.4.1 生物质半焦反应性分析  72-74
      5.3.4.2 生物质半焦CO_2气化反应动力学参数  74-76
      5.3.4.3 生物质半焦水蒸汽气化与CO_2气化的比较  76-77
  5.4 本章小结  77-78
第六章生物质灰特性及熔融性分析  78-90
  6.1 引言  78-79
  6.2 实验部分及数据处理  79-81
    6.2.1 生物质灰及半焦制取  79
    6.2.2 灰成分分析及灰熔点测定  79-80
    6.2.3 生物质焦样的反应性测定  80
    6.2.4 实验数据检测与处理  80-81
  6.3 实验结果分析  81-89
    6.3.1 成灰温度对灰成分的影响  81-82
    6.3.2 不同成灰温度下灰形态SEM分析  82
    6.3.3 基于灰成分的灰特性分析  82-84
    6.3.4 成灰温度对灰熔点的影响  84-85
    6.3.5 添加剂对灰熔点的影响  85-87
    6.3.6 Fe_2O_3/CaO对稻壳焦炭水蒸汽气化的影响  87-88
    6.3.7 Fe_2O_3/CaO对稻壳焦炭CO_2气化的影响  88-89
  6.4 本章小结  89-90
第七章全文总结及进一步工作展望  90-93
  7.1 全文工作总结  90-91
  7.2 本文创新点  91-92
  7.3 进一步工作展望  92-93
参考文献  93-97
致谢  97

生物质气流床气化特性及半焦气化动力学研究

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