基于实时热重分析系统的生物质气化及动力学研究

发布时间：2020-08-25 03:19

【摘要】：生物质气化技术能够将各类农林废弃物转化为富含H2、CO和CH4等可燃气体成分的气体燃料,因而受到了人们的广泛关注。为了提高气化效率和原料适应性,人们已经开发了固定床、流化床等多种类型的气化反应器。与固定床相比,流化床反应器具有传热效率高、气化产量高、易放大、过程易于控制等优点。本文尝试开发一种新型的实时热重分析系统,通过进料的微分化,更加真实地揭示生物质在流化床气化炉中经历的变化,研究这一过程中生物质的热失重,气化气组分、焦油成分和生物炭成分等的变化情况,获得生物质在流化床反应器内的气化特性,为工业流化床反应器的设计与应用提供指导。首先,以松木屑为气化原料,通过自行设计的实时热重分析系统,研究生物质原料在气化过程中的热失重变化情况,重点考察气化温度、气化当量比对气化过程的影响,进一步分析了气化气、焦油和生物炭成分,确定了松木屑在流化床气化炉中的最优气化强度。实验发现,气化温度为800 ℃、气化当量比为0.25、气化强度为600 kg/(m2·h)的气化参数被认为是流化床气化炉中松木气化的最佳条件。同时发现气化当量比在实际气化条件中对松木屑的失重变化没有明显影响。其次,本实验探讨了杨木屑与猪粪混合气化的可行性。通过实时热重分析系统,考察了两种物料混合气化的气化特性,研究了气化气、焦油与生物炭三种气化产物在不同的杨木屑、猪粪物料混合比例下的变化,进一步分析了两种物料混合比例对气化产物成分的影响。实验结果表明,猪粪与杨木的混合比例在4:6以下时,两种生物质可以实现稳定的混合气化。最后,本实验通过杨木屑与干猪粪在气化过程中的质量变化情况进行了动力学分析,研究发现,转化率在0.3以下时,杨木屑气化活化能在58～60kJ/mol之间,干猪粪气化活化能在28～30 kJ/mol之间,气化反应满足阿伦尼乌斯经验公式,而当转化率在0.3以上时,阿伦尼乌斯经验公式不再适用于气化反应的动力学分析。这表明真实气化反应过程非常复杂,活化能不能看作与温度无关的常数,根据传统热重分析仪得出的活化能可能与真实气化活化能差异较大。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK6
【图文】：

生物质,气化剂,氧气,焦油

借助气化剂如空气（或者氧气）、水蒸汽等的作用，使生物质发生干燥、逡逑热解、氧化、还原重整反应，最终转化为ＣＯ、Ｈ２、Ｃ0２和ＣＨ４等气体，并伴有逡逑一定焦油和生物炭的产生的过程，其基本原理如图１．２所示。工业气化炉中常用逡逑的气化剂有空气或蒸汽与氧气的混合物，氧气量通常是理论上完全燃烧所需量的逡逑１／５至１／３。气化所需的热量是由生物质在反应器中部分燃烧产生的。除了木屑、逡逑秸杆、稻壳等典型的生物质农林废弃物之外，气化操作也可以用畜牧粪便、塑料、逡逑煤粉、生活垃圾和污泥等与生物质的混合物来实现［４］。逡逑生物质在气化过程中发生的热化学反应非常复杂，气化温度通常在８００和逡逑１２００邋°Ｃ之间，在气化器内发生的平行反应如表１．１所示。热解过程产生的焦油在逡逑气化炉中进一步的被氧化、重整、加氢和裂解而转化，发生吸热反应。在空气或逡逑氧气存在下，焦炭和可燃性气体（ＣＯ、Ｈ２和ＣＨ４）发生部分或完全氧化反应，逡逑并放出大量的热能，为气化的干燥、热解和还原反应提供必要的热量。此后产生逡逑的Ｈ２０和Ｃ０２分子在焦炭气化过程中被消耗（１－８？１－１２）。水煤气转换反应（１－逡逑１７）和甲烷化反应（１－１８和１］９）的强弱

空气瓶,样品容器,热重分析,高温段

第二章实时热重分析系统对松木气化的研究逡逑２．２．２实验仪器逡逑松木肩气化实验使用的气化装置如图２．１所示，该反应器是自行安装、调试逡逑的带有实时在线热重分析功能的生物质气化装置，整个实验系统可以承受的最高逡逑温度为１２００邋°Ｃ，该装置主要由气路系统、反应系统、进料和热重分析系统、焦逡逑油收集系统组成。气路系统由外径为３ｍｍ的不锈钢气路管和阀门将空气气瓶与逡逑反应器进气口连接而成，空气购置于厦门成功气体公司。逡逑逦１１逡逑图２．１实时热重分析系统装置图：（］）空气瓶；（２）减压阀；（３）温度控制逡逑器；⑷气体阀门；（５）转子流量计；（６）高温段；（７）样品容器；（８）低温段；逡逑（９）石英管反应器；（１０）精密天平；（１１）定滑轮；（１２）循环冷却泵；（１３）焦油逡逑收集装置；（１４）电脑；（１５）集气袋；（１６）真空泵逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ａｐｐａｒａｔｕｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ邋ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑反应系统主要有管式电阻炉和石英管反应器组成。管式电阻炉的炉膛长度为逡逑６００ｍｍ，炉膛内径为５０ｍｍ，该电阻炉的额定功率为３邋ＫＷ。管式反应器为石英逡逑材质，管长】４００邋ｍｍ，外径４８邋ｍｍ，壁厚２邋ｍｍ，在距石英管一端４００邋ｍｍ处连逡逑接一内径２ｍｍ、外径４ｍｍ、长６ｍｍ石英管进气口，连接进气管。气化装置由逡逑高温段和低温段组成，炉膛内有３００邋ｍｍ的恒温区为高温段，最高工作温度为逡逑１２００°Ｃ

热失重,气化温度,气体浓度,当量比

Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｔｈｅ邋ｍａｓｓ邋ｌｏｓｓ邋ｒａｔｅ邋ｏｆ邋ｐｉｎｅ邋ｓａｗｄｕｓｔ邋ｉｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逡逑２．３．２．２气化温度对气体产物的影响逡逑图２．３显示了在气化当量比为０．２５时，气化气中Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４和Ｃ０２四种逡逑气体浓度与气化温度的关系。如图所示，气化当量比为０．２５时，气化温度对气体逡逑组分的影响表现出一致的规律。Ｈ：、ＣＯ和ＣＨ４的气体浓度随着气化温度的升高逡逑而升高，而Ｃ０２的气体浓度均随着气化温度的升高而降低。在图２．３中，随着气逡逑化温度从７００°Ｃ增加到９００°Ｃ，Ｈ２浓度从２．４７ｍｏｌ％增加到１３．６４ｍｏｌ％，水煤气逡逑转换反应（Ｍ７）是气化过程中一个重要的可逆反应Ｉ７＇气化温度的增加有利于逡逑２５逡逑

【参考文献】