生物質(zhì)高溫氣流床氣化制取合成氣的機(jī)理試驗(yàn)研究.pdf

1、生物質(zhì)能的開發(fā)和利用可緩解當(dāng)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(diǎn)。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(duì)生物質(zhì)定向氣化大規(guī)模制取合成氣技術(shù)路線進(jìn)行了理論探討，并對(duì)生物質(zhì)氣流床氣化進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究和動(dòng)力學(xué)分析。 本文首先介紹了研究背景。在著重對(duì)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(shì)。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(duì)生物質(zhì)氣流床氣化制取合成氣的研究進(jìn)行了綜述，并得出生物質(zhì)氣流床氣化的技術(shù)難點(diǎn)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(yàn)及理論研究，根據(jù)氣流床氣化原理，自行設(shè)計(jì)與搭建了一套小型生物質(zhì)高溫氣流床氣化試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)其進(jìn)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(duì)木屑進(jìn)行了氣化試驗(yàn)，主要考查了反應(yīng)溫度和氧氣/生物質(zhì)比對(duì)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(diǎn)。為了正確地解釋上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合分析了氣流床氣化爐內(nèi)的流動(dòng)和加熱特性，從基本的微分方程入手，用數(shù)值方法對(duì)生物質(zhì)單顆粒在氣流床內(nèi)的氣化過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示，該數(shù)值計(jì)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(yàn)結(jié)果較好吻合。 針對(duì)堿金屬及其相關(guān)無機(jī)元素在生物質(zhì)氣流床氣化中的揮發(fā)問題，進(jìn)行了木屑在不同反應(yīng)溫度下和不同氧/生物質(zhì)配比下的氣化試驗(yàn)，對(duì)其殘?zhí)窟M(jìn)行了收集，并通過ICP及EDX-SEM儀器對(duì)殘?zhí)炕页煞趾蜌執(zhí)啃螒B(tài)進(jìn)行分析，得出了無機(jī)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(jìn)行氣化，來考查助熔劑在生物質(zhì)氣流床氣化過程中對(duì)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(duì)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(duì)生物質(zhì)的熱解及氣化特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究了反應(yīng)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(shí)間對(duì)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(yīng)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(shí)合成氣中CH<'4>含量很低；停留時(shí)間為1.6s時(shí)其氣化反應(yīng)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(huì)影響煤氣產(chǎn)率。 為了給生物質(zhì)氣流床氣化反應(yīng)過程和最終狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)詳盡地描述，為此，綜合考慮平衡模型和動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合生物質(zhì)半焦與水蒸汽及CO<,2>氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)全面描述生物質(zhì)氣流床氣化過程的動(dòng)

7、力學(xué)模型。并從系統(tǒng)反應(yīng)進(jìn)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(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確認(rèn)了該動(dòng)力學(xué)模型的可靠性。表明所建模型可以用于預(yù)測(cè)氣化參數(shù)對(duì)生物質(zhì)氣流床氣化的影響特性。為了考查烘焙預(yù)處理對(duì)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(yàn)臺(tái)上，對(duì)四種不同種類的生物質(zhì)進(jìn)行烘焙試驗(yàn)，并對(duì)研磨過的固體產(chǎn)物進(jìn)行粒徑分析，最后在小型生物質(zhì)氣流床上進(jìn)行了氣化試驗(yàn)。結(jié)果表明，生物質(zhì)的能量密度隨著烘焙溫