生物质气化及合成气甲烷化热动力学模拟与实验研究

发布时间：2020-03-29 21:11

【摘要】：能源危机和环境污染推动清洁与可再生能源的发展,生物质能源作为唯一可被转化为固、液、气三种不同形式传统能源的可再生能源受到了广泛的关注。生物天然气具有处理工艺简单,产品附加值较高,末端应用市场成熟,运输管路等基础设施完善等优势,引起了广泛关注。传统的生化转化发酵制备沼气的转化效率低,而热化学转化的产物气体净化脱焦除尘等流程复杂,成本高,这些缺点都限制了生物质天然气的推广使用。基于此,本研究提出了生物质气化及合成气耦合甲烷化工艺路线,并通过热动力学模拟和实验开展了相关研究,旨在提高生物质转化效率,降低工艺成本,为实现生物质气体全组分转化为甲烷提供理论依据和科学基础。首先,通过Aspen Plus软件对瑞典中部大学生物质双床流化床水蒸气气化工艺进行了模拟研究。选用产率反应器和吉布斯反应器对生物质水蒸气气化过程进行建模。研究发现,生物质合成气的产量随着反应温度的升高而增加,其中的氢气含量随着温度升高先增加后减少,在850℃时达到最大值为42%。随着反应体系中水蒸气和生物质比例的升高,焦油和水蒸气发生重整反应,导致生物炭和焦油的产量降低,氢气含量随着水蒸气和生物质比例的升高而增加。生物质原料的含水量增加对生物质合成气组分的变化趋势与提高水蒸气比例的结果相似。随着反应停留时间的增加,生物质气化的产物分解得相对更彻底,焦油分解为小分子气体,从而导致气体产量上升,焦油产量降低。其次,通过Aspen Plus软件对生物质合成气催化甲烷化和生化甲烷化耦合制备生物天然气的工艺进行了模拟研究。该模拟选用化学计量反应器对生物质合成气耦合甲烷化过程进行了技术可行性的分析。该模拟简化了催化甲烷化和生化甲烷化的模拟过程,通过相关的实验研究数据定义气体的转化率和优先级。催化甲烷化过程中一氧化碳甲烷化基本完全转化;二氧化碳部分转化为生物天然气,含量由12%降低至9.4%,甲烷的含量由9.2%增长至87.4%,气体产物的品质得到极大的提高。生化甲烷化过程中,由于微生物的新陈代谢不受反应动力学和热力学的影响,因此二氧化碳生化甲烷化的过程无反应平衡的限制,反应物中的二氧化碳完全转化为甲烷,甲烷的含量由87.4%进一步提升至97%。通过生化甲烷化过程,产物气体的品质进一步提高,气体成分已基本完全转化为单一组分的甲烷,提高了后续使用的便利性。最后,采用浸渍法分别制备了Ni-Al_2O_3,Ni-ZSM-5和Ni-MCM-41三种催化剂,活性金属镍的负载量均为7%,在固定床反应器上对三种催化剂应用于二氧化碳甲烷化的催化特性进行了研究,重点考察了不同反应温度下,不同催化剂对催化性能的影响。在反应温度为150-500℃,反应空速为6000ml·g~(-1)·h~(-1)的条件下,三种催化剂的二氧化碳转化率和甲烷选择性和产率都随着温度的升高而呈现出先迅速增加后轻微降低的趋势,其中催化剂Ni-MCM-41的整体催化性能略优于催化剂Ni-ZSM-5,在反应温度为450℃时催化性能达到最佳,催化剂Ni-MCM-41的二氧化碳转化率达73%,选择性为97%。而催化剂Ni-Al_2O_3的整体催化性能较差,二氧化碳转化率和甲烷的选择性和产率都较低。三种催化剂应用于二氧化碳甲烷化的催化性能排序为Ni-MCM-41Ni-ZSM-5Ni-Al_2O_3。通过氮气吸附脱附表征发现催化剂Ni-MCM-41的比表面积最大,为孔径分布较为集中的单一的介孔结构,能够有效提高催化剂活性金属的分散程度,从而提高催化性能。
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百万吨油当量,消费量,单位,生态失衡

图 1-1 全球一次能源消费量（单位：百万吨油当量）传统的化石能源不仅不可再生，而且储量有限，粗放式的大规模使用同时造成的环境污染和生态失衡。化石燃料的燃烧，提炼等使用过程释放大量二氧化碳，化硫，氮氧化物和大量PM10，PM2.5颗粒物，导致全球变暖，酸雨，雾霾天气，极端气候频发等一系列问题。《2017中国生态环境状况公报》显示，2017年全国

生物质资源,方式,生物质

华中科技大学硕士学位论文术是把固体状态的生物质经过一系列化学加工过程，使其转化成液体燃料，但液体料成分复杂，含水量高，提纯分离成本较高。而通过用植物油（或动物油）与甲醇或醇在酸性、碱性或生物酶等催化剂作用下进行之交换反应，制备生物柴油则面临着食安全，，土地安全等一系列问题。通过淀粉类与糖类生物质发酵制备生物乙醇已经当成熟，但也面临着相同的问题。沼气技术通过微生物的新陈代谢分解生物质中的机物质，获得甲烷含量为 50-70%的沼气。其工艺简单，技术成熟，但生产周期长，量转化效率低。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ426;TK6

【参考文献】