生物质热解油气化实验与模拟研究

论文摘要

生物质作为唯一可以液化的清洁的可再生能源,利用其快速热解制取的生物油可以解决生物质直接气化带来的收集、运输和储存问题。但是,生物油的高粘度、高含水量、强酸性、低热值和热不稳定等性质严重影响了生物油的品质,阻碍了生物油的高端应用,因此,将生物油热解气化转化为H2、CO、CO2、CH4、C2、C3等合成原料气,再经过进一步的技术处理合成高品位的燃料如甲醇、二甲醚等是实现生物油的高质化利用重要途径之一。本文从机理分析、模拟预测、实验研究三个层面对生物油的气化进行了较为全面的研究。首先,在热重分析仪上对生物油的热解及燃烧进行研究,分析其热解及燃烧特征,确定生物油热解与燃烧的动力学机理模型及参数结果,并采用TG-FTIR联用技术对生物油样品热解过程中气体产物的释放特性进行在线分析,确定热解产物及其随温度变化的释放特性。结果表明:生物油热解分为两个阶段,燃烧分为三个阶段,热解的主要产物为CO、CO2、H2O和碳氢化合物等小分子气体。然后,基于Aspen Plus软件,选取具有代表性的模型化合物模拟生物油,采用Gibbs自由能最小化法建立了生物油气化模型,进行生物油气化全过程的模拟计算,在物料平衡、化学平衡的前提下,分析了温度、压力、气化剂量、反应气氛对反应产物参数的影响:温度的升高使得生物油分解更为彻底,目标产物H2、CO含量增加;反应产物中H2、CO含量与压力的增加成反比;选用O2和H2O作为气化剂时,较小的量较为适宜;CO2作为生物油的气化剂是较好的选择。最后,在固定床气化系统上对生物油在不同的实验条件（反应温度、载气流量、反应气氛、在生物油中加入水）下的热解气化反应进行了实验研究,并与模拟结果加以比较,综合比较之后得到生物油气化的较优反应条件:800℃为实验条件下热解最佳温度;75ml/min的N2气体流量为热解反应提供了最佳停留时间;O2不适宜作为外热式气化系统的气化剂,用于工业应用时,也应选择较小的量;CO2气氛下,CO产量有较大增加,H2产量基本不变,因而是较优气化剂;热解气成分主要来自于生物油中不溶于水的大分子有机物。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 生物油特性及其应用
• 1.3 生物油气化制备合成气及国内外研究现状
• 1.4 本课题的研究目的及研究内容
• 2 生物油热解及燃烧机理研究
• 2.1 热重分析仪介绍
• 2.2 生物油热解及燃烧特性
• 2.3 热解及燃烧反应的动力学分析
• 2.4 热解过程的TG-FTIR 分析
• 2.5 本章小结
• 3 基于ASPEN PLUS 软件的生物油气化过程模拟
• 3.1 软件介绍
• 3.2 模型建立
• 3.3 模型计算结果及分析（不同因素对产物分布的影响）
• 3.4 本章小结
• 4 生物油气化制备合成气的实验研究
• 4.1 实验方法
• 4.2 气体产物特性的分析方法和分析仪器
• 4.3 实验结果和讨论
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 建议与展望
• 致谢
• 参考文献