生物质催化热解及半焦气化特性实验研究

发布时间：2020-06-12 16:23

【摘要】：生物质是被广泛认可的环境友好型可再生能源，气化技术则是其最有效的能源转化方式之一，它能有效的将固体能源转换成可利用的气态合成气。大量研究表明，生物质气化过程主要包括低温下的挥发分析出热解阶段和高温下的半焦气化过程。因此，本文基于热解过程和焦气化活性，对生物质的气化特性机制进行了深入、系统的研究。为深入了解生物质在气化过程不同阶段的反应特点，本文选取典型农业秸秆（稻杆、棉杆和油菜杆）和林业废弃物（木屑）为研究对象，在热重实验台上进行了生物质的水蒸气热解气化实验研究，分析了水蒸气分压、样品种类、原料粒径和催化剂类型等因素对生物质气化过程的影响，实验表明：相比纯氮气热解过程，水蒸气气化过程在低温段与热解过程基本相同，但在高温阶段出现半焦气化过程，其中热解过程适用于均相反应模型，而收缩核模型则能较好的描述半焦气化过程；半焦气化过程随水蒸气分压提高，气化反应相对速率提高、活化能降低；四种生物质原样的水蒸气气化失重过程类似，由于原料本身物化特性差异，使得它们的气化特性参数不同，其中棉杆气化程度ψ最大（96.07%），木屑次之，稻杆最低；粒径1.00~1.68mm颗粒与0.450~1.000mm粒径气化特性差别较大，随粒径减小，失重过程更为明显，气化程度加强、活化能降低，但当颗粒尺寸小于1mm后，粒径对物质气化过程影响不明显。为进一步探究热解过程和焦活性对生物质气化的影响机制，建立了生物质连续给料固定床热解实验装置，并进行了不同样品种类和热解反应温度的生物质热解实验，利用相关分析仪器对热解气、液、固三态产物的物化特性进行全面分析，以揭示生物质热解机制。而后，利用热重分析仪（TGA）对热解半焦进行了气化实验，，探讨了样品种类、制焦温度和气化介质对半焦气化过程的影响，研究表明：随热解温度升高，气态不凝气产量升高，H_2、CH_4、CO等可燃气比重增加；液态生物油由小分子乙酸转化成蒽、茚等芳香族化合物；固态半焦呈下降趋势，其含量官能团数量明显减少，挥发分和氧含量明显降低，碳含量显著提高；热解半焦气化过程主要是固定碳与气化介质的反应过程，随制焦温度提高其气化反应速率RS减小，气化活性降低，并且水蒸气气化半焦的失重量、失重率、气化活性都明显高于CO_2气化。基于三态产物物化特性，本实验认为900℃时生物质热解过程已基本结束。在总结常规热解气态产物分布特点的基础上，开展了700℃和900℃的四种生物质原样的催化热解实验。重点考察催化剂种类（石灰石、氧化铝、氧化镁和氧化铁）对热解气中H_2和CH_4产率的调控，以及催化剂对半焦二氧化碳气化活性的影响，实验研究显示：催化剂的加入提升了气态不凝气（约为30%）和固态半焦的产率，液态生物油产率明显降低，四种催化剂中以煅烧石灰石对产物分布影响最为明显；催化热解气质量明显改善，甲烷含量在催化热解温度700℃时提升效果最好（~15%），而氢气产率提高更为显著（约为40%）。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK6

【参考文献】