生物质流化床热解气相产物析出特性及反应动力学研究

发布时间：2020-04-08 00:11

【摘要】：热解技术是实现生物质清洁化利用的主要方式之一,可以将固体生物质资源转化为便于利用的可燃气体、生物油和生物质炭等清洁能源,应用前景广阔。目前对生物质热解技术的研究也取得了一定的成果,但仍缺乏对生物质热解过程气相产物的析出特性和反应动力学特性的系统研究。气相产物反应动力学和释放特性分析,可以从理论上揭示热解气相产物释放所遵循的基本原理。其研究内容是生物质热解制取清洁燃气技术研究不可或缺的部分,是生物质热解技术进一步深入研究的基础。研究生物质热解转化特性,分析热解关键参数对气相产物的影响规律；探索固体生物质转化为气相产物的演变过程和热解反应机理,建立反应动力学模型。可以为生物质热解转化工程化应用制取清洁燃气提供理论支撑,同时为热解制取生物质燃气新技术装备的设计研发提供指导。研究优化所采用流化床设备基本运行参数,主要分析了热解过程中流化床内温度、压降参数变化,得出等温热解过程温度稳定性误差在0.16%以内,床内压降在14500Pa左右,波动量不超过881.3Pa,流化床运行状态稳定。流化床高径比和载气流量等运行参数研究结果发现,一定范围内,高径比和载气流量增加均有利于生物质热解反应的发生。优化后结果显示流化床高径比为0.32适合生物质热解反应进行,同时流化床载气流量应高于0.4L/min。根据优化得出的流化床运行参数进行生物质热解实验,探索生物质在等温条件下热解气相产物析出特性和反应动力学。研究发现温度变化对单一气体的释放顺序和气相产物中气体组分分布均产生影响,不同温度(600℃-800℃)下热解气体产物中CO2最先释放,H2最后析出,随温度升高四种气体产物的释放先后顺序更加明显。温度增加对不同气体产物产量影响不同,随温度升高气相产物中H2和CH4相对含量增加,CO含量先增加后略有减小而CO2含量先减小后略有增大,表明高温有利于H2和CH4和CO的生成,而对CO2的生成具有一定阻碍。不同温度下气相产物中CO均占有最高相对含量,表明生物质快速热解主要产生CO。原料粒径增大(0.15-1.00mm)气相产物中CO、CH4和H2的相对含量减小,CO2相对含量增大,变化量分别为5.6%、1.7%、1.8%和9.1%。生物质等温快速热解过程,氧气的参与延长了气体产物析出时间,热解过程更多的反应发生。热解载气中高氧浓度下,气相产物中具有更高的C02含量,而其它气相产物含量有一定减小。气相产物析出动力学研究发现生成四种气体产物的反应速率随温度升高而增大,并且受温度影响H2反应速率变化最为明显。采用化学反应级数模型描述气相产物析出过程,可将其分为三个阶段,反应阶段II为动力参数拟合求算阶段。温度升高生成C02和CH4的反应级数逐渐增大,分别从0.97增大到1.27和从0.88增大到1.25；生成H2和CO反应级数变化规律不明显,均在600℃下取得最小值,分别为1.10和0.97,在850℃下取得最大值,分别为1.38和1.31。生成H2产物的表观活化能为18.9 kJ/mol、生成CO产物的表观活化能为12.05 kJ/mmol、生成C02产物的表观活化能为10.48kJ/mol、生成CH4产物的表观活化能为11.31 kJ/mol。H2的表观活化能数值最大表明H2最难生成。惰性气体下生物质在不同温度下热解气相产物整体析出反应级数在1.20-1.33之间,氧化热解过程气相产物整体析出反应级数在0.94-1.11范围内,平均值分别为1.26和1.06。而惰性气体和有氧环境下热解气相产物整体析出表观活化能、频率因子参数分别为16.74 kJ/mol、4.24s-1和22.22 kJ/rmol、6.83s-1。氧气的参与增加了热解气相产物整体析出表观活化能和指前因子。
【图文】：

工业分析,成分含量,生物质,热值

逡逑图３－１常见的生物质工业分析成分含量逦图３－２邋ＸＬｌ系列箱式马弗炉逡逑义１．２低位热值分析逡逑热值是衡量燃料价值的标准，，生物质燃料热值分析是其在热化学转化利用过逡逑程中计算热平衡、热效率等技术参数的基础，同时对化物质热值参数的分析有助逡逑于宏观把握原料是否适用于进行热解、气化等转化。燃料热值定义为单位质量或逡逑单位体积燃料完全燃烧所释放出的热量，热值单位为ｋＪ／ｋｇ或ｋＪ／ｍ３。生物质燃料逡逑热值高低除与物料本身的特性有关外，还与热值分析过程中燃料所处的燃烧环境逡逑有关ｔ５３ｌ。按分析时燃料所处环境可将热值分为弹筒热值（Ｂｏｍｂ邋ｈｅａｔｉｎｇ邋ｖａｌｕｅ）、逡逑高位热值（陆班ｅｒ邋ｈｅａｔｉｎｇ邋ｖａｌｕｅ）和低位热值（Ｌｏｗｅｒ邋ｈｅａｔｉｎｇ邋ｖａｌｕｅ），在工程应用逡逑中常取低位热值分折。本文研究中采用ＺＤＨＷ－ＨＮ５０００Ｅ型全自动量热仪对中药逡逑渣进行热值分析。逡逑＼邋＾逡逑rВⅲ诲义蟇３－３微机全自动量热攸（ＺＤＨＷ－ＨＮ５０００Ｅ）逡逑生物质原料特性测定结果如表３－１。逡逑２２逡逑

马弗炉,热值

逦邋，逡逑图３－１常见的生物质工业分析成分含量逦图３－２邋ＸＬｌ系列箱式马弗炉逡逑义１．２低位热值分析逡逑热值是衡量燃料价值的标准，生物质燃料热值分析是其在热化学转化利用过逡逑程中计算热平衡、热效率等技术参数的基础，同时对化物质热值参数的分析有助逡逑于宏观把握原料是否适用于进行热解、气化等转化。燃料热值定义为单位质量或逡逑单位体积燃料完全燃烧所释放出的热量，热值单位为ｋＪ／ｋｇ或ｋＪ／ｍ３。生物质燃料逡逑热值高低除与物料本身的特性有关外，还与热值分析过程中燃料所处的燃烧环境逡逑有关ｔ５３ｌ。按分析时燃料所处环境可将热值分为弹筒热值（Ｂｏｍｂ邋ｈｅａｔｉｎｇ邋ｖａｌｕｅ）、逡逑高位热值（陆班ｅｒ邋ｈｅａｔｉｎｇ邋ｖａｌｕｅ）和低位热值（Ｌｏｗｅｒ邋ｈｅａｔｉｎｇ邋ｖａｌｕｅ），在工程应用逡逑中常取低位热值分折。本文研究中采用ＺＤＨＷ－ＨＮ５０００Ｅ型全自动量热仪对中药逡逑渣进行热值分析。逡逑＼邋＾逡逑rВⅲ诲义蟇３－３微机全自动量热攸（ＺＤＨＷ－ＨＮ５０００Ｅ）逡逑生物质原料特性测定结果如表３－１。逡逑２２逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK6

【参考文献】