生物质炭催化水蒸气气化制取富氢合成气研究

发布时间：2020-03-26 21:32

【摘要】：氢能作为清洁、高效的能源载体具有替代化石资源的潜在价值,而生物质气化制氢是很有前景的制氢技术之一。生物质气化制氢最主要问题是合成气中氢气体积分数低且产物中焦油含量高。生物质炭化技术可有效减少原料中挥发分的含量,以炭为原料气化可有效避免焦油对气化进程的影响。此外,原料炭化后具有高的吸水性,可于催化剂溶液中浸渍吸收达到负载催化剂的目的,从而提升炭气化速率。本文主要以炭化后的生物质:木屑炭、木片炭、玉米芯炭等为原料,在固定床上吸式气化炉中进行生物质炭催化水蒸气气化制取富氢合成气的研究,主要的研究内容和成果如下:1、研究了生物质炭水蒸气气化制取富氢合成气,考察了反应温度(750~950℃)、水蒸气流量(0.2~1.0 g/min)、不同类型炭和粒径对生物质炭气化特性的影响。首先,以生物质炭为原料水蒸气气化可制得氢气体积分数高的合成气(60%),合成气中H_2/CO值能达到3左右,在相同的气化条件下,木片炭产氢率最高可达222.8 g/kg。以木片炭和玉米芯炭为对象,探究了粒径对气化结果的影响,研究表明粒径对气体组分影响较小,但随着粒径增大炭转化率呈提升趋势,而大粒径可有效避免过程夹带损失。以木屑炭为原料研究了反应温度和水蒸气流量的影响,反应温度和水蒸气流量的升高有利于生物质炭气化,炭转化率、产气率和产氢率均随着温度和水蒸气流量的增加而增加。但高温不利于H_2体积分数,随着温度从800℃升高至950℃,H_2体积分数从65.8%下降至61.2%,CO体积分数有明显的提升而CO_2体积分数有所下降,H_2/CO降至3.35。水蒸气流量的增加尽管能促进氢气体积分数,但过多的水蒸气对气化结果影响较小,最适合的水蒸气流量在0.4~0.6 g/min之间。2、以块状的玉米芯炭为原料并于催化剂溶液中浸渍吸收负载催化剂,探究了不同催化剂(KOH、NaOH、K_2CO_3和Na_2CO_3)、催化剂溶液质量分数、反应温度和水蒸气流量对玉米芯炭水蒸气气化结果的影响。通过块状的玉米芯炭于催化剂溶液中浸渍吸收催化剂为有效的方法,炭气化速率大幅度提升。吸收催化剂后对各气体组分体积分数影响较小,但炭转化率、产气率和产氢率均有明显的增加。以KOH溶液预处理时可得到最大产氢率。四种催化剂的催化能力:KOH和NaOH略大于K_2CO_3和Na_2CO_3。催化剂溶液(KOH)质量分数的提升可增加催化剂的负载量,更有利于炭气化,气体中CO_2体积分数降低、CO体积分数升高、H_2体积分数略微下降。而产氢率随着催化剂溶液质量分数增加呈现先升高后降低的趋势,最大产氢率为197.8 g/kg,在催化剂溶液质量分数(KOH)为6%时取得。温度和水蒸气流量对炭气化结果的影响和未添加催化剂时相似,但以达到相同的炭转化率为目的时,在有催化剂的条件下反应时间可缩短一半,水蒸气消耗量也可大幅度缩减。3、以木片炭为原料,以相同的催化剂负载方法探究了不同催化剂(KOH、K_2CO_3、CH_3COOK和KCl)、催化剂溶液质量分数、反应温度和气化剂对木片炭气化结果的影响。KOH和K_2CO_3对木片炭气化催化效果相近,气体组分中CO体积分数可观察到明显的提升,H_2体积分数和CO_2体积分数有所下降,炭转化率和产氢率同样也观察到明显的提升;CH_3COOK的催化活性低于KOH和K_2CO_3,各组分变化程度不如以KOH和K_2CO_3为催化剂时显著,炭转率和产氢率也偏低;KCl对木片炭气化催化效果不显著。四种催化剂催化活性为:KOH≈K_2CO_3CH_3COOKKCl。催化剂溶液质量分数(KOH)对木片炭气化结果的影响和玉米芯炭类似,气体中H_2体积分数和CO_2体积分数降低,CO体积分数升高,产氢率最大为197.2 g/kg,在溶液质量分数为6%时取得。温度和水蒸气流量对木片炭气化结果的影响始终和未添加催化剂时一致。氧气的加入可提升炭转化率,并调控合成气中H_2/CO,但ER值升高不利于产氢,H_2体积分数和产氢率均随ER值升高而降低,CO体积分数呈现先增加后减少的趋势,CO_2体积分数持续上升,因此ER值不宜过大,0.2~0.3之间为较合适的ER值。本研究以生物质炭为原料进行催化水蒸气气化制取富氢合成气,利用炭于催化剂溶液中浸渍吸收为有效的方法,气化速率大幅度提升,气化产物中无焦油产生且合成气中氢气体积分数可达60%左右,H_2/CO值可在1.0~4.0之间变化,能满足广泛的应用。
【图文】：

技术路线图,合成气,富氢,气化速率

（4）在适合的催化剂加入量下，通过引入两种气化剂（水+氧）改变富氢合成气中H2/CO 比值，得到可满足更多应用的合成气。1.6.2 研究目标本文以生物质炭为原料，探究不同参数对生物质炭气化结果影响，以期得到清洁、高质量的富氢合成气。首先探究 4 个操作参数对气化结果的影响，包括：不同类型炭、温度、水蒸气流量、粒径，其次在此基础上引入催化剂以提升气化速率，同时再引入氧气以调整合成气中 H2/CO 比值。通过以上研究，，为生物质炭气化进一步应用提供实验基础。1.7 研究技术路线

转化率,产气率,完全气化,水蒸气

950 ℃下木屑炭已接近完全气化。同时，随着温度升高炭转化率和气体产率都有明显的提升。由图2-2(b)和(c)可知，750 ℃时炭转化率为 41.6%，未达到一半转化率，而产气率也仅为 1.73m3/kg；当温度升至 950 ℃时，炭转化率可达到 99.2%，近乎完全气化，产气率也升至 4.16m3/kg，提升了 1 倍多。相比于木屑水蒸气气化，木屑炭水蒸气气化能得到相对较高的产气率。Franco 等[20]通过流化床研究了生物质水蒸气气化，炭转化率能达到 70%左右
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK6;TQ116.2

【参考文献】