生物质流化床解耦气化研究

论文摘要

作为CO2“零排放”的可再生资源的典型代表,生物质的有效利用对实现环境和社会的可持续发展具有重要的战略意义。生物质气化代表耦合燃料干燥/热解、半焦气化、焦油/碳氢化合物改质和燃烧等物理与化学反应的复合体。通过解除燃料干燥/热解与上述其它反应之间耦合的解耦气化技术,并使热解气体混合物通过半焦填充层,可以实现气化的低焦油化和高效率化。基于此思想,设计了一种新型生物质解耦流化床气化反应装置（U-shape Fluidized Bed,UFB）。本文旨在通过实验研究阐明UFB的流体动力学特性,并以酒糟为燃料,在微型固定床上下两段反应装置上模拟研究了UFB所具有的燃料干燥/热解与上述其它反应过程分离的解耦气化特性,并与传统耦合气化对比分析,揭示了解耦气化在降低焦油产率、提高气化效率等方面所具有的独特优势。主要研究内容及结论如下:1.利用优化的冷态UFB实验装置,在改变流化气量和床内持料量等实验条件下,通过测量流化状态下床内各测压点处的压力分析石英砂在床内的流化特性,结果发现倾斜多孔板两侧压力保持在1 kPa左右,能保证床内石英砂的均匀流化。在连续进料的条件下,采用示踪颗粒法分析了颗粒在床内的流化轨迹及纵横方向上的混合特性规律,结果表明颗粒在床内的混合接近全混流,颗粒在床内的平均停留时间为322 s。2.利用微型固定床上下两段反应器,以酒糟为气化燃料,模拟UFB内的反应过程,对比分析了在不同燃料含水量、气化温度及气化剂中氧含量等实验条件下解耦气化与传统耦合气化在焦油产率、碳转化率及气化效率等参数的差异。结果表明:①在解耦气化热解温度550℃、气化温度800℃,耦合气化温度800℃,燃料含水量40 wt.%和气化剂中氧含量4 vol.%的实验条件下,相对于传统的耦合气化,解耦气化焦油产率降低了35.3%,气化效率和产气率分别提高4.0%和20%,但生成气热值出现了稍微的下降。②酒糟在600℃热解时的焦油产率最大,进一步升高热解温度将促使焦油的二次裂解反应;反应器下段气化温度的升高,有利于提高产气率和减少焦油的生成。气化剂中氧含量的增加,可缩短气化反应时间,促进碳的转化,提高产气率,但可燃气热值却有较大幅度的降低。③由于解耦气化技术中半焦的催化作用及有效利用燃料干燥/热解产生的水蒸汽作为气化反应剂,因此变化燃料含水量（40→60 wt.%）、气化反应温度（800→900℃）、气化剂中氧含量（4→6 vol.%）,都使解耦气化比耦合气化显示了更强的抑制焦油生成的能力,减少的焦油量相应引起气化气中H2、CO浓度的升高或C转化率的提升。通过与石灰石、石英砂的催化裂解焦油能力对比,表明了生物质半焦在催化裂解焦油的能力方面具有明显的优势,并可有效调节气化气成分。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 生物质气化技术概述
• 1.1.1 生物质气化原理
• 1.1.2 生物质气化技术分类
• 1.1.3 生物质气化工艺
• 1.2 生物质气化技术发展中存在的问题
• 1.2.1 焦油问题
• 1.2.2 热值问题
• 1.2.3 生物质水分含量问题
• 1.2.4 其它问题
• 1.3 课题的提出
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 U型流化床流体动力学特性研究
• 2.1 实验装置及实验流程
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 实验流程
• 2.2 实验物料及仪器设备
• 2.2.1 实验物料
• 2.2.2 仪器设备
• 2.3 分析方法
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 结构的优化
• 2.4.2 典型压力分布
• 2.4.3 持料量对可操作范围的影响
• 2.4.4 床高400mm处三点压力分布
• 2.4.5 床层压力波动分析
• 2.4.6 停留时间分布
• 2.5 本章小结
• 第3章 生物质解耦气化特性研究
• 3.1 实验装置及实验流程
• 3.1.1 双层固定床气化实验系统
• 3.1.2 实验流程
• 3.2 实验物料及仪器设备
• 3.2.1 实验物料
• 3.2.2 仪器设备
• 3.3 分析方法
• 3.4 实验重现性
• 3.5 数据解析及物料衡算
• 3.6 结果与讨论
• 3.6.1 解耦与耦合的对比
• 3.6.2 酒糟水分的影响
• 3.6.3 温度的影响
• 3.6.4 气化剂中氧含量的影响
• 3.7 焦油的催化裂解
• 3.7.1 不同反应条件下的半焦催化裂解能力对比
• 3.7.2 不同催化剂的催化裂解能力对比
• 3.8 本章小结
• 第4章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文