基于热解-重整-燃烧解耦三床气化系统的生物质催化制富氢气体
发布时间：2021-09-05 07:18
生物质催化气化是将生物质转换成富氢气体的有效途径。该研究提出了一种由热解反应器、重整反应器和提升管燃烧器三部分构成的解耦三床生物质气化（decoupled triple bed gasification,DTBG）工艺。在实验室规模的DTBG气化反应装置上,以水蒸气为气化剂,以橄榄石为原位焦油裂解催化床料,进行了生物质水蒸气催化气化试验,考察了生物质种类、重整器温度、生物质进料速率对气化效果的影响规律,并且对气化副产物焦油的特性进行了分析。试验结果表明,生物质原料的挥发分对气化产物分布的影响很大,原料挥发分含量越高,气体产率越高,碳转化率越高,气体中的H2和CO体积分数越大、CO2体积分数越低。当重整器温度由750升高到850℃时,气体产率从0.91增加到1.08 m3/kg,焦油质量浓度从19.1降低到7.3 g/m3,同时气体品质大幅度提升。随着生物质进料速率的增加,产气中H2体积分数大幅度增加,CO2体积分数大幅度降低,但是焦油质量浓度基本不变。当重整器温度为800℃,白松木屑进料速率为220 g/h时,H2和CO体积分数分别达到了42.2%和14.6%,产气中焦油质量浓度为10...
【文章来源】：农业工程学报. 2018,34(17)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
解耦三床气化工艺示意图Fig.1Principleofdecoupled-triple-bedgasification
农业工程学报（http://www.tcsae.org）2018年22428mm，高度1956mm。在各反应器上都安装热电偶和测压计，以检测温度和压力变化。图2解耦三床气化反应装置示意图Fig.2StructuraldiagramofDTBGapparatus试验开始前，先将5.0kg橄榄石由料仓顶部加入，将各反应器在N2保护下加热升温至设定温度。当各反应器达到设定温度后，调节热载体循环流量和提升管预热空气流量，使热载体以4.5kg/h循环速率在各反应器间稳定循环，床料循环速率可以由热解器和燃烧器之间的螺旋送料器控制。生物质原料经2台螺旋进料器进入热解器（温度为700℃），一级螺杆进料器控制生物质进料速率，二级螺杆进料器快速将生物质原料推入热解器内，与此同时水蒸汽以一定流量加入反应系统，每组试验S/B（水蒸气和生物质质量比）均为0.65。所产气体经过除尘器过滤进入多级冷凝系统（15℃）实现气-液分离。从进料开始每隔10～15min采集气体样品，并用气相色谱（GC7890II型）进行分析。气体中的H2利用热导检测器（TCD）分析，CH4、CO、CO2、C2H4、C2H6等组分利用氢火焰离子检测器（FID）分析。试验过程中，上下料封和原料料仓通入N2防止空气进入系统，因此产气中N2体积分数大概在2%～10%。最终气体组成结果为系统达到稳定状态后，N2扣去后的各气体组成的平均值。液体产品收集于圆底烧瓶中，用萃取和减压蒸馏方法将液体产品分离为焦油和水，计算出焦油质量浓度和水含量[6]。冷凝的焦油用Agilent-5975C气相色谱仪进行分析，色谱条件为：检测器为FID；色谱柱为HP-5MS(30m×0.25mm×0.25μm)；气化室温度为250℃?
第17期亚力昆江·吐尔逊等：基于热解-重整-燃烧解耦三床气化系统的生物质催化制富氢气体225图3不同生物质原料气化效果比较Fig.3Gasificationperformancecomparisonofdifferenttypeofbiomass图4重整器温度对气体产率、低位热值、焦油质量浓度、气体组成、碳转化率和气化效率的影响Fig.4Effectofreformertemperatureongasyield,tarcontent,gascomposition,carbonconversionandgasificationefficiency由图4a可以看出，当重整器温度由700升高到850℃时，气体产率由0.91增加到1.08m3/kg，焦油质量浓度由19.1降低到7.3g/m3。焦油的裂解和水蒸气重整反应均为强吸热反应，重整器温度的升高有利于这些反应的进一步进行。随着重整器温度的升高，在橄榄石的催化作用下产气中的更多焦油被转化为小分子气体，从而降低了焦油质量浓度，提高了气体产率。可以看出，重整器温度的升高提高了橄榄石对焦油裂解/重整的催化活性。由图4b可以看出，当重整器温度由700℃升高到850℃时，气化效率由56.4%提高到了65.2%，碳转化率由71.4%提高到81.4%。在DTBG气化系统中，由于生物质原料中的大部分碳以挥发分形式在重整器内进行水蒸气催化重整反应形成合成气，因此，重整器温度的升高使得焦油质量浓度减少，气化效率和碳转化率增加。根据Schuster等[21]基于在双流化床的能量衡算，当原料总碳的42.6%送到燃烧反应器燃烧时，系统不再需要额外的燃料燃烧来提供气化反应器所需要的热量。在DTBG气化系统中，单独生物质气化产生的半焦燃烧不能满足气化反应需要的能量，为此，可以通过在原料中添加高的含碳燃料如煤、石油焦以提高燃烧器中燃烧的炭含量，从而实现气化系统“自供?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cu-橄榄石载氧体煤焦化学链气化实验研究[J]. 宋洋博,徐绍平,李伶俐,肖亚辉. 燃料化学学报. 2017(08)
[2]改性生物质炭对棉秆热解挥发分析出特性的影响[J]. 刘慧慧,邹俊,邓勇,杨海平,王贤华,陈汉平. 农业工程学报. 2016(22)
[3]高温蒸汽松木颗粒富氢气化试验[J]. 牛永红,韩枫涛,陈义胜. 农业工程学报. 2016(03)
[4]基于下吸式固定床的木片气化试验[J]. 马中青,叶结旺,赵超,孙庆丰,张齐生. 农业工程学报. 2016(S1)
[5]橄榄石基固体热载体影响褐煤热解产物分布的分析[J]. 邓靖,李文英,李晓红,喻长连,冯杰,郭小汾. 燃料化学学报. 2013(08)
[6]不同矿源橄榄石对催化苯水蒸气重整的影响[J]. 杨小芹,徐绍平,胡冠,刘长厚. 催化学报. 2009(06)
[7]预煅烧对橄榄石生物质气化催化性能的影响[J]. 魏立纲,徐绍平,刘长厚,刘淑芹. 燃料化学学报. 2008(04)
[8]橄榄石对高温焦炉煤气中焦油组分的催化裂解[J]. 卜宪昵,岳宝华,戴智铭,方建慧,丁伟中. 煤炭转化. 2008(02)
[9]串行流化床生物质催化制氢模拟研究[J]. 沈来宏,肖军,高杨. 中国电机工程学报. 2006(11)
本文编号：3384905
【文章来源】：农业工程学报. 2018,34(17)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
解耦三床气化工艺示意图Fig.1Principleofdecoupled-triple-bedgasification
农业工程学报（http://www.tcsae.org）2018年22428mm，高度1956mm。在各反应器上都安装热电偶和测压计，以检测温度和压力变化。图2解耦三床气化反应装置示意图Fig.2StructuraldiagramofDTBGapparatus试验开始前，先将5.0kg橄榄石由料仓顶部加入，将各反应器在N2保护下加热升温至设定温度。当各反应器达到设定温度后，调节热载体循环流量和提升管预热空气流量，使热载体以4.5kg/h循环速率在各反应器间稳定循环，床料循环速率可以由热解器和燃烧器之间的螺旋送料器控制。生物质原料经2台螺旋进料器进入热解器（温度为700℃），一级螺杆进料器控制生物质进料速率，二级螺杆进料器快速将生物质原料推入热解器内，与此同时水蒸汽以一定流量加入反应系统，每组试验S/B（水蒸气和生物质质量比）均为0.65。所产气体经过除尘器过滤进入多级冷凝系统（15℃）实现气-液分离。从进料开始每隔10～15min采集气体样品，并用气相色谱（GC7890II型）进行分析。气体中的H2利用热导检测器（TCD）分析，CH4、CO、CO2、C2H4、C2H6等组分利用氢火焰离子检测器（FID）分析。试验过程中，上下料封和原料料仓通入N2防止空气进入系统，因此产气中N2体积分数大概在2%～10%。最终气体组成结果为系统达到稳定状态后，N2扣去后的各气体组成的平均值。液体产品收集于圆底烧瓶中，用萃取和减压蒸馏方法将液体产品分离为焦油和水，计算出焦油质量浓度和水含量[6]。冷凝的焦油用Agilent-5975C气相色谱仪进行分析，色谱条件为：检测器为FID；色谱柱为HP-5MS(30m×0.25mm×0.25μm)；气化室温度为250℃?
第17期亚力昆江·吐尔逊等：基于热解-重整-燃烧解耦三床气化系统的生物质催化制富氢气体225图3不同生物质原料气化效果比较Fig.3Gasificationperformancecomparisonofdifferenttypeofbiomass图4重整器温度对气体产率、低位热值、焦油质量浓度、气体组成、碳转化率和气化效率的影响Fig.4Effectofreformertemperatureongasyield,tarcontent,gascomposition,carbonconversionandgasificationefficiency由图4a可以看出，当重整器温度由700升高到850℃时，气体产率由0.91增加到1.08m3/kg，焦油质量浓度由19.1降低到7.3g/m3。焦油的裂解和水蒸气重整反应均为强吸热反应，重整器温度的升高有利于这些反应的进一步进行。随着重整器温度的升高，在橄榄石的催化作用下产气中的更多焦油被转化为小分子气体，从而降低了焦油质量浓度，提高了气体产率。可以看出，重整器温度的升高提高了橄榄石对焦油裂解/重整的催化活性。由图4b可以看出，当重整器温度由700℃升高到850℃时，气化效率由56.4%提高到了65.2%，碳转化率由71.4%提高到81.4%。在DTBG气化系统中，由于生物质原料中的大部分碳以挥发分形式在重整器内进行水蒸气催化重整反应形成合成气，因此，重整器温度的升高使得焦油质量浓度减少，气化效率和碳转化率增加。根据Schuster等[21]基于在双流化床的能量衡算，当原料总碳的42.6%送到燃烧反应器燃烧时，系统不再需要额外的燃料燃烧来提供气化反应器所需要的热量。在DTBG气化系统中，单独生物质气化产生的半焦燃烧不能满足气化反应需要的能量，为此，可以通过在原料中添加高的含碳燃料如煤、石油焦以提高燃烧器中燃烧的炭含量，从而实现气化系统“自供?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cu-橄榄石载氧体煤焦化学链气化实验研究[J]. 宋洋博,徐绍平,李伶俐,肖亚辉. 燃料化学学报. 2017(08)
[2]改性生物质炭对棉秆热解挥发分析出特性的影响[J]. 刘慧慧,邹俊,邓勇,杨海平,王贤华,陈汉平. 农业工程学报. 2016(22)
[3]高温蒸汽松木颗粒富氢气化试验[J]. 牛永红,韩枫涛,陈义胜. 农业工程学报. 2016(03)
[4]基于下吸式固定床的木片气化试验[J]. 马中青,叶结旺,赵超,孙庆丰,张齐生. 农业工程学报. 2016(S1)
[5]橄榄石基固体热载体影响褐煤热解产物分布的分析[J]. 邓靖,李文英,李晓红,喻长连,冯杰,郭小汾. 燃料化学学报. 2013(08)
[6]不同矿源橄榄石对催化苯水蒸气重整的影响[J]. 杨小芹,徐绍平,胡冠,刘长厚. 催化学报. 2009(06)
[7]预煅烧对橄榄石生物质气化催化性能的影响[J]. 魏立纲,徐绍平,刘长厚,刘淑芹. 燃料化学学报. 2008(04)
[8]橄榄石对高温焦炉煤气中焦油组分的催化裂解[J]. 卜宪昵,岳宝华,戴智铭,方建慧,丁伟中. 煤炭转化. 2008(02)
[9]串行流化床生物质催化制氢模拟研究[J]. 沈来宏,肖军,高杨. 中国电机工程学报. 2006(11)
本文编号：3384905
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