基于铁基氧载体生物质制备合成气实验研究

发布时间：2020-10-19 08:48

　　 面对日趋严重的能源与环境问题,高效开发利用可再生能源是重要解决途径。生物质气化被誉为是一种最有前景的生物质利用方式,但是由于传统的气化工艺存在成本高、工艺复杂、气化后合成气品质差等问题,有学者在化学链燃烧的基础上提出了生物质的氧载体气化技术,利用氧载体的晶格氧代替常规的气化介质,可有效改善这些问题。目前国内外研究较多的为氧载体燃烧,以及氧载体循环制氢,且原料多为煤,对生物质氧载体气化制备合成气的研究较少。因此有必要开展生物质氧载体气化制备合成气的研究。本文利用浸渍法制备系列铁基复合氧载体。采用XRD、H2-TPR、SEM、热重分析等方法对铁基复合氧载体进行表征与评价。研究不同载体以及Fe2O3负载量对复合氧载体的结构、抗积碳能力、氧化还原性以及氧载体气化产物选择性的影响。在自制的生物质氧载体气化蒸气重整制备合成气的实验装置上,进行生物质氧载体气化特性实验,并对生物质氧载体气化蒸气重整的气化过程进行数值模拟。此外,还对生物质氧载体气化制备合成气的工艺进行优化,采用响应曲面法(RSM)研究反应温度、水蒸气与生物质质量比、氧载体与生物质的质量比以及反应时间对合成气的影响。建立回归模型评估合成气中H2/CO的比值与反应温度、时间、OC/B、S/B之间的关系。结果表明:(1)不同惰性载体对生物质氧载体气化制备合成气的产物具有不同的选择性,其中,Al2O3载体有利于制备高H2/CO比值的合成气。Fe2O3的负载量越大复合氧载体本身的晶格氧越多,当负载量为60%时,复合氧载体的活性、稳定性均达最佳值。此时合成气中的H2/CO比值也达到最大。使用后的氧载体表面均有积碳的现象,载体不同积碳情况不同。热重分析表明当载体为Al2O3时,复合氧载体的第二个失重峰最小,复合氧载体的积碳最少。在温度为400-600℃时,四种复合氧载体的反应速率均达到最大值,在此温度段晶格氧的质量补充速率小于生物质碳的燃烧速率。(2)通过生物质氧载体气化特性实验得出,当温度为750℃到950℃,提高温度有利于生物质的氧载体气化反应进行,加入水蒸气可增加合成气中H2的含量,而过多的氧载体会导致合成气中CO2含量升高。通过对生物质氧载体气化蒸气重整的数值模拟可知,控制反应路径以及反应时间可改善生物质的氧载体气化过程。(3)反应温度为900℃时,H2和CO总含量以及H2/CO比值均达到了最大值。S/B为2.8时合成气中H2和CO的总含量达到最大值,H2/CO值、产气率以及碳转化率均得到明显提高。OC/B为1.0时碳转化率达到最大值,产气率随着OC/B的升高,增速明显。反应时间的延长使合成气中H2的含量得到了明显提升。反应时间为20min时合成气的品质和产量达到最佳值。通过RSM得到了最优工艺参数,建立二次模型,并通过方差分析验证了可行性。最佳条件为:反应温度为899.55℃,时间为20.31min,OC/B为1.02,S/B比为2.89,最佳条件下获得的H2/CO的值为2.23。为水稻秸秆制备合成气提供了理论支持,展示了水稻秸秆废弃物能源化利用的巨大前景。
【学位单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK6
【部分图文】：

第一章 绪论1.1 研究背景当前世界经济快速发展，能源是支持人类生存和社会发展的可靠基础，2016 年全球能源消结构如图 1.1 所示[1]。石油依然是消费主体，但是化石燃料面临枯竭。能源的开发和利用已经上为一个全世界共同关心的问题，也是制约世界社会发展的一个重要因素。而且大量使用化石燃料对我们的生存环境构成了一定的威胁，由于二氧化碳的排放，全球温室效应不断加重。如何高效发利用可再生能源或者低碳燃料来代替传统的化石能源已经迫在眉睫[2]。生物质能源储量丰富且再生，逐渐成为人们关注的焦点，被认为是化石能源理想的替代品。但是在生物质能源利用上全各地的消费状况有着一定的差距。一方面，仍有不少中西部农村家庭利用生物质作为炊事和采暖能源，以秸秆、薪柴等直接燃烧。另一面，也有东部沿海地区的农村的生活水平的提高抛弃了大原有的生物质作为能源，致使大量的农业废弃物残留田头，污染环境。伴随着十九大的顺利召开将我国农村的发展又一次推向高潮，乡村振兴战略要求我们大力推进新型城镇化和新农村的建设需要大量的可再生、清洁的能源进行供应。结合农村当地生物质资源进行清洁能源的供应，加快物质高值化、产业化的发展，也是解决农村乃至全国今后可持续能源供给的有效途径

作为一种低品质能源可以被改造的能力强。有各种能将其利用的方式。我国的生物质原料来源自农林产业，所以根据我国国情，生物质资源的开发和利用应当以我国农林业有机废弃物主要的原料来源。生物质基本转化利用方式如图 1.2 所示。生物质能的利用可通过物理转化方法、化学转化方及生物转化方法来实现。生物质最直接的应用还是直接燃烧；随着技术的发展，直接燃烧技术为炉灶燃烧，锅炉燃烧、致密成型燃烧技术以及垃圾焚烧技术。这种处理过程简单、易于操作是也容易产生燃烧不充分的现象，造成环境污染。生物质的物理转化技术，是将生物质粉碎后直接压缩为成型燃料，方法简单，但是耗能较高物质化学转化技术包括对生物质进行的液化技术、热解气化技术、酯化技术等。生物质液化技将大分子的固态物质变为小分子的有机物的过程，也分为间接液化和直接液化两种转化方式。液化是将生物质与化学试剂相融合，放在高温高压反应器中。在一定温度和压力的条件下转化体的过程。间接液化是先将生物质转化气态，然后再将气态物质液化为液化。生物质热解气化，是指在一定气化剂条件下，生物质不完全的燃烧，使大分子固体物质的化学键断裂，生成一燃气体例如氢气、一氧化碳等。生物质热解制生物油是通过热化学方法把生物质转化为液体燃技术，副产物有不可凝结气体和碳，区别于生物质液化技术[4]。

源危机开始爆发，不可再生能源分布不均匀不充分等特点被原料，通过生物质气化技术将低品质的生物质转化为高品质的化工和相关能源产品被认为是很好的能源解决方案。该项供气、气化生物质发电、合成气后续生产醇醚燃料等。反应结构形成的化学循环反应，在反应过程中，反应的产物或者主反应物。反应的产物或者副产物经过一系列反应后代有德国科学家 Richter 和 Knoche 等首次提出化学链反应率[5]。但是直到 1987 年 Ishida 等人才将这种新型的燃烧技由于对温室气体的广泛关注促使了化学链燃烧技术的迅速发链燃烧技术应用于捕获反应过程中的 CO2[7-8]。在进入 21 世进行了广泛的研究，在此基础上有学者提出了生物质的化学环境污染较小等特点。生物质氧载体气化制备合成气原理示应器中，利用氧载体的晶格氧为生物质提供所需反应的氧元的比例，就可使生物质发生气化反应，得到以 CO 和 H2为的氧载体可在空气反应器中与空气发生氧化反应重新获得氧
【参考文献】

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1 黄振;何方;李新爱;赵坤;李海滨;赵增立;;Fe_2O_3-水蒸气生物质化学链共气化制合成气[J];太阳能学报;2013年12期

2 王坤;于庆波;秦勤;李玖重;;基于铜基氧载体化学链空气分离技术实验研究[J];东北大学学报(自然科学版);2013年01期

3 黄振;何方;赵坤;赵光杰;石化彪;李海滨;;赤铁矿用于生物质化学链气化氧载体的反应性能[J];农业工程学报;2011年S1期

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1 成功;生物质催化气化定向制备合成气过程与机理研究[D];华中科技大学;2012年

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1 曾志伟;碱金属K对生物质水蒸气催化气化增强制氢特性影响研究[D];华中科技大学;2016年

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3 禹建功;生物质化学链气化及生物质半焦/载氧体气化反应动力学研究[D];重庆大学;2015年

4 蔡海燕;生物质水蒸气催化气化制备合成气研究[D];华中科技大学;2013年

5 涂军令;木屑/木屑炭高温水蒸气气化制备合成气研究[D];中国林业科学研究院;2012年

本文编号：2846994