生物质热解制氢机理和实验研究

论文摘要

生物质制氢研究是可再生能源的重要方向之一,本文提出了由常压移动床热解、二次热裂解、水蒸气转化和变换反应组成的生物质热解制氢技术路线,通过实验和数学模拟计算,研究了生物质向富氢气体转化的基本规律。利用热重仪分析了农业残余物热解的规律和特征参数,获得了热解反应速率、反应时间和转化率的定量结果,不同原料呈现出一致的热解反应机制,表观动力学参数计算表明,可以用单段一级反应过程描述生物质热解反应。设计并建立了常压移动床连续热解制氢实验系统,对生物质热解过程的释氢现象进行了系统实验研究,研究表明高温有利于提高气体产率和氢气浓度,在不使用空气和氧等介质的条件下获得了品质较高的中热值富氢气体。将Gibbs自由能最小化方法和Miller模型相结合,对热解过程进行数值求解,从动力学和热力学平衡角度研究了热解过程,发现和分析了生物质向富氢气体转化的现象、反应规律和影响因素,预测了与实验吻合的产物组成。探讨了通过水蒸汽转化和变换反应对热解气进行重整的方案,进行了生物质热解制氢系统的能量平衡计算,分析了氧化钙参与热解对提高系统效率的作用,确定了优化的工艺参数,玉米秸和稻壳氢产率可分别达到48.18 mol/kg和45.85mol/kg,气体中氢气浓度达到74.78%和73.35%,理想能量转换率达到77.9%和83.4%。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 研究目的和意义
• 1.1.1 发展氢能技术的意义
• 1.1.2 生物质制氢的优势
• 1.2 生物质热解制氢过程
• 1.3 课题的来源
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 生物质热化学制氢方法
• 2.1.1 生物质气化制氢
• 2.1.2 生物质热解制氢
• 2.1.3 生物质超临界转换制氢
• 2.1.4 生物质热解油重整制氢
• 2.2 生物质热解过程
• 2.2.1 生物质热解的基本过程
• 2.2.2 热解过程的热分析方法
• 2.2.3 热解动力学研究
• 2.3 焦油的生成和热裂解
• 2.3.1 焦油的生成和主要成分
• 2.3.2 热裂解
• 2.3.3 催化热裂解
• 2.4 热解过程的模拟计算
• 2.4.1 热力学平衡计算方法
• 2.4.2 动力学计算方法
• 第三章 生物质原料的基本性质
• 3.1 生物质原料的化学组成
• 3.1.1 元素分析成分
• 3.1.2 工业分析成分
• 3.1.3 化学分析成分
• 3.2 生物质原料的相关理化特性
• 3.2.1 热值
• 3.2.2 堆积密度
• 3.2.3 灰熔点
• 3.3 本章小结
• 第四章 生物质原料的热解动力学表现
• 4.1 热重分析实验方法
• 4.1.1 实验仪器
• 4.1.2 试验物料的准备
• 4.1.3 实验方法
• 4.2 等速升温热重实验
• 4.2.1 等速升温热重试验结果
• 4.2.2 升温速率对热重曲线的影响
• 4.2.3 不同原料热重曲线的比较
• 4.3 等温热重实验
• 4.3.1 等温热重试验结果
• 4.3.2 温度对等温热重曲线的影响
• 4.3.3 不同原料等温热重曲线的比较
• 4.4 生物质热解表观动力学分析
• 4.4.1 动力学分析的 Coats-Redfern 法
• 4.4.2 热解动力学参数
• 4.4.3 对动力学参数的分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 生物质热解中的释氢现象
• 5.1 实验装置和实验方法
• 5.1.1 实验装置
• 5.1.2 实验方法
• 5.1.2.1 原料的准备
• 5.1.2.2 预备性实验
• 5.1.2.3 实验步骤
• 5.2 热解试验中的固体产物
• 5.2.1 残炭剩余量
• 5.2.2 残炭特性
• 5.3 热解实验中的液态产物
• 5.4 热解实验中的气体产物
• 5.4.1 热解气的成分
• 5.4.2 热解气产率
• 5.4.3 热解气热值
• 5.5 热解过程物质平衡关系
• 5.5.1 总体物质平衡关系
• 5.5.2 氢、碳元素转换率
• 5.6 二次热裂解试验
• 5.7 本章小结
• 第六章 生物质热解的模拟计算
• 6.1 动力学模拟计算
• 6.1.1 生物质热解过程的Miller 模型
• 6.1.2 等速升温热解动力学计算
• 6.1.3 等温热解动力学模拟计算
• 6.2 热力学平衡模拟计算
• 6.2.1 热力学平衡计算方法
• 6.2.2 生物质热解的热力学平衡体系
• 6.2.3 热力学平衡模拟计算
• 6.3 本章小结
• 第七章 生物质热解气的重整
• 7.1 热解气中的甲烷水蒸汽转化
• 7.1.1 甲烷水蒸汽转化反应
• 7.1.2 热解气水蒸汽转化的计算
• 7.2 转化气中的一氧化碳变换
• 7.2.1 一氧化碳变换反应
• 7.2.2 变换反应的计算
• 7.3 本章小结
• 第八章 系统的能量平衡和优化
• 8.1 系统工艺特性的演变过程
• 8.2 系统的能量平衡
• 8.2.1 能量平衡体系
• 8.2.2 能量平衡计算结果和分析
• 8.3 氧化钙参与热解的优化作用
• 8.3.1 氧化钙碳酸盐化反应
• 8.3.2 氧化钙参与热解的气体产物
• 8.3.3 氧化钙参与热解的系统能量平衡
• 8.4 系统的余能利用
• 8.5 本章小结
• 第九章 全文总结和进一步的工作
• 9.1 全文总结
• 9.2 主要创新点
• 9.3 进一步的工作
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢