基于串行流化床生物质催化气化及合成气甲烷化方法研究

发布时间：2019-08-08 07:26

【摘要】：根据生物质资源及其特点、国内外生物质热化学制取合成天然气(Bio-SNG)的研究现状,本文提出了基于串行流化床生物质气化和增压流化床甲烷化的生物质热化学催化制取甲烷的技术路线,分别从试验、数值模拟以及环境效益的角度对该技术路线开展研究,具体工作如下。以麦秸为原料,在25kWth串行流化床生物质气化装置上开展生物质催化气化制取合成气的试验,分别研究了气化温度、水蒸气与生物质配比(S/B)、催化剂床料等对生物质合成气产率、氢碳比(氢气与一氧化碳的体积分数之比)的影响。结果表明,生物质经由串行流化床生物质气化系统可高效地制取生物质合成气,且获得了很高的合成气浓度、氢碳比和产率。适当的提高气化温度和S/B有利于合成气浓度的提高。S/B的增大对氢碳比有正向影响,而气化温度的增大则不利于氢碳比的提高。气化温度和S/B的增大均有利于合成气产率的提高。钙基催化剂可促进生物质气化过程的进行,在添加了钙基催化剂之后,合成气的浓度、氢碳比以及产率都明显高于惰性床料的生物质气化。在自行设计的增压流化床甲烷化反应器上开展生物质合成气催化制取甲烷的试验研究。分别在两种镍基甲烷化催化剂上,通过改变操作参数,确定较为适当的操作条件。同时,以现代化的表征方法为主要手段,分析甲烷化催化剂的催化机理和催化剂的积碳现象。结果表明,生物质合成气在增压流化床反应器中在甲烷化催化剂作用下可高效地生成甲烷,且甲烷生成速率和CO转化率都很高(最高反应速率超过3.2mol/(L-h),最高CO转化率超过80%)。通过试验对比,尽管两种甲烷化催化剂的表面成分和形貌有所不同,但它们对合成气甲烷化过程的影响结果相似。甲烷化反应器操作参数(反应温度、反应压力、空速等)对生物质合成气甲烷化过程有重要影响。随着反应温度的上升,甲烷生成速率和CO转化率均增大,且在350℃附近达到最大值,而甲烷生成速率和CO转化率则均随着反应压力的上升而增大,甲烷生成速率随着空速的上升而增大,而CO转化率则随着空速的增大而下降。生物质合成气中合适的氢碳比对甲烷化过程至关重要,随着氢碳比的上升甲烷生成速率和CO转化率均增大,且氢碳比在3时达到最大值,再进一步增大氢碳比,则变化不大。甲烷的加入对甲烷化过程不利,导致甲烷生成速率和CO转化率均有明显下降,因此应及时排出生成的甲烷。镍基催化剂在试验中出现了积碳现象,即在试验过程中在催化剂表面生成了游离态的碳。随着反应温度的上升,积碳现象越发严重,而且积碳对催化剂的表面形貌也产生了一定的影响。基于串行流化床生物质气化系统和增压流化床甲烷化反应系统,建立了生物质热化学催化制取甲烷的工艺流程模型。通过与参考数据的对比,验证了模型的正确性以及数值模拟研究的可行性。分析了气化温度、气化压力、S/B、甲烷化反应温度和压力以及生物质种类对整个系统性能指标的影响。结果表明,操作条件对粗甲烷气成分、甲烷产率和系统能量转换效率均有较大的影响。提高气化温度,则粗甲烷气中的甲烷含量有所增大,气化温度过大反而导致甲烷产率和系统能量效率下降。提高气化压力,则粗甲烷气中的甲烷含量有所增大,而甲烷产率和系统能源效率则存在一最大值。随着S/B的增大,粗甲烷气中的甲烷含量相应减小,而对甲烷产率和系统能量效率而言,也存在一最佳的S/B值。随着甲烷化反应温度的增大,粗甲烷气中甲烷含量下降,而甲烷产率和系统能量效率增大。甲烷化反应压力越高,粗甲烷气中的甲烷含量增大,而甲烷产率和系统能量效率则有所下降。生物质种类对粗甲烷气中的甲烷浓度影响不大,对甲烷产率和系统能量效率影响较大。常见生物质中,松木屑的甲烷产率最高,系统能量效率最大,而稻秸则相对较小。从中国本地化的角度建立了Bio-SNG产品的生命周期评价模型,分析了生物质种收、秸秆运输、工厂建设与拆除、Bio-SNG生产以及电力消耗等5个环节的特点,汇总了各环节的清单数据,并进行特征化和归一化,考虑了4类环境影响类型,即中国非生物资源消耗(CADP)、全球暖化(GWP)、酸化(AP)和可吸入无机物(RJ)等指标。结果表明,从特征化的结果来看,耗电和生产两个环节对4类环境影响指标均有较大的影响,而从归一化的角度来看,Bio-SNG产品生命周期环境影响类型按其相应贡献量由大到小依次为：APCADPRIGWP,其中GWP为负值。通过比较不同天然气源的环境影响,结果表明与开采的天然气和煤基天然气相比,Bio-SNG能有效减少温室气体排放,节省非生物资源,还能减少酸化和可吸入无机物的发生。就秸秆与谷粒分配比例对Bio-SNG产品环境影响进行敏感性分析,研究了经济价值分配、质量分配、高位热值分配和(?)分配等4种分配原则对环境影响类型的影响,结果表明AP和RJ指标对不同的分配原则更加敏感,而CADP和GWP则相对受影响较小。Bio-SNG产品的最大环境优势在于减轻温室效应,而在对Bio-SNG产品进行清洁生产优化时,应重点关注减少酸性气体和降低非生物资源消耗。从生命周期环境影响的角度来看,Bio-SNG生产对中国来说更具发展前景。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE665.3

【相似文献】