基于焦炭本征动力学的携带流生物质气化特性研究

发布时间：2020-07-30 17:00

【摘要】：生物质能源具有资源丰富、可再生、零二氧化碳排放、污染物少、分布分散等特点,是唯一的可再生碳资源,开发潜力巨大。生物质气化是一种热化学转化技术,通过化学反应将生物质燃料转化成可燃气体,具有产品清洁、应用场合广等优点。因此,本文主要研究生物质焦炭的基本特性和携带流生物质气化性能对掌握生物质气化原理及提高整体气化性能指标都有重要的理论和现实意义。在微型石英反应器内进行生物质快速热解实验,并对焦炭进行电镜扫描、能谱分析、拉曼光谱分析等测试。首先研究了热解温度为800 oC时稻壳、玉米秸秆及桦木三种生物质的焦炭产率和理化特性,同时研究了热解温度(700、800、900 oC)对稻壳焦炭产率和焦炭特性的影响。实验结果表明,三种生物质的焦炭产率:稻壳秸秆桦木;稻壳、秸秆焦炭中的Si元素远大于桦木焦炭,秸秆焦炭的石墨化程度最低。随着热解温度的升高,稻壳的焦炭产率降低,稻壳焦炭中的O/C比值、石墨化程度都减小。在不同温度和不同气体组分分压力条件下进行生物质焦炭-CO2、焦炭-O2的热重实验,研究了焦炭异相反应的本征动力学特性。本文实验得到生物质的焦炭与CO2反应的本征活化能在160.01-238.81 k J/mol之间,本征反应级数在0.309-0.589范围内;热解温度对稻壳焦炭-CO2的本征反应速率影响小。实验得到三种生物质焦炭-O2反应的本征活化能在在114.59-134.15 k J/mol之间,反应级数在1.431-1.981之间;此外,采用单步反应多项回归模型对稻壳、秸秆、桦木焦炭-CO2的反应过程进行模拟,从而验证了本征动力学参数及反应模型的正确性。基于欧拉-拉格朗日坐标建立携带流生物质气化的数值模型,考虑生物质在气化炉内的干燥、热解、气体反应和异相反应过程。基于焦炭反应的本征动力学参数建立焦炭异相反应的子模型来提高气化模型的精度。对不同工况下的稻壳、木屑携带流气化过程进行模拟,对比气化燃气组分和气化指标的模拟值和实验值,结果表明本文建立的基于本征动力学参数的携带流生物质气化模型可靠。采用数值模拟方法对稻壳、木屑、秸秆三种生物质的携带流气化特性进行研究,考察气化温度、燃料颗粒直径、空气当量比以及CO2/生物质质量比等气化操作条件对气化过程的影响。在相同的气化条件下,秸秆的可燃组分最少,燃气热值、碳转化效率、冷气效率最低。随着气化温度的升高,三种生物质气化的燃气热值、产气率、冷气效率都升高;随着燃料颗粒直径的增大,生物质气化的燃气热值、产气率、碳转化效率及冷气效率都减小;随着空气当量比的增大,燃气热值和冷气效率都减小;随着CO2/生物质质量比的增大,气化燃气的CO含量、热值和碳转化效率都有极大值。结合响应曲面法和数值计算方法,以气化温度、物料颗粒直径、空气当量比以及CO2/生物质比为操作因子,基于中心复合有界设计方法对稻壳、木屑、秸秆的携带流气化进行实验设计并进行数值模拟,分别分析气化条件因子对目标响应的影响。以产气CO体积分数、产气率、冷气效率为目标函数,根据遗传算法对三种生物质气化过程进行优化,得到三目标优化的Pareto最优边界。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK6
【图文】：

过程图,过程,焦炭,生物质燃料

图 1-1 生物质气化技术过程Fig. 1-1 General route for biomass gasification technology综上所述，研究生物质的气化过程对实现节能减排、减缓生态恶化具有的理论和现实意义。.2 国内外生物质气化技术的研究进展典型的生物质气化过程包含有下列过程：（1）颗粒干燥、水分蒸发；（解；（3）气相挥发分反应（氧化、还原）；（4）气固两相反应（氧化、还原中生物质热解反应、焦炭异相反应是整个气化过程中的关键步骤。.2.1 焦炭微观结构热解是复杂的热化学反应过程，生物质燃料的大分子受热发生化学键断构、重新聚合，最终转变成小分子物质[6]。在热解过程中，生物质燃料由发分的析出，其形貌结构发生了巨大变化，从而形成具有多孔隙表面的焦体颗粒。焦炭的微观理化结构对热解过程、焦炭气化反应及生物质气化的

异相反应,焦炭

（3）气体与焦炭的反应过程，（4）异相反应气体产物向散，（5）气体产物由焦炭表面向环境气体扩散[22]。通常根据反应颗粒反应划分成三个主要区域[22, 40]，如图 1-2 所示。在反应温度下，化学反应速率（步骤（3））远小于气体扩散的速率，则焦炭整体速率由焦炭自身的化学反应过程控制，将整体反应速率由化区域定义为反应 I 区（regime I）。在测量焦炭反应速率的实验中的反应温度和足够小的颗粒直径等实验条件能够将反应过程控，此时测得的反应速率速率即为焦炭异相反应的本征反应速率，、反应级数等即为本征动力学参数。当温度升高或颗粒直径增大整体反应速率将由气体扩散速率和化学反应速率共同控制，此区II 区（regime II）。在反应 II 区内的扩散速率通常用有效扩散率来表观活化能小于本征活化能。继续提高反应温度，焦炭的转化速扩散速率控制，则反应进入 III 区（regime III）。在此反应区测得零，温度对反应速率影响小，气体组分、颗粒尺寸及流体物性是的主要因素。

生物质燃料

天津）研磨成粒径 75-400 μm 的颗粒（图 2-1），并对燃料颗粒进行电镜扫描。由图2-1 可以看出，稻壳颗粒具有明显纵向纤维和孔隙，表面相对光滑；玉米秸秆原料中含有含有茎、秆、叶等不同部分，因此秸秆颗粒间的结构差异较大，颗粒具有不规则片状结构和条状纤维，含有孔隙，颗粒表面粗糙；桦木材料主要

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