生物质热解气化特性分析与试验研究

论文摘要

生物质能源开发利用是缓解我国能源和环境压力,建立可持续发展能源系统的有效措施之一。生物质热解气化技术适应当前技术和经济发展水平,是生物质能源化转换利用的重点技术。本文从生物质原料的热化学反应特性入手,分析了生物质理化性质及其在气化各反应阶段的表现与影响因素,揭示了生物质热解气化过程的反应规律。以获得高品质可燃气体为最终目标,提出抑制焦油发生、提高燃气品质的具体工艺条件,为生物质气化过程工艺设计及应用提供技术指导。首先从生物质热化学转化的角度出发,重点分析生物质的各种化学和物理性质与热化学转化过程的反应关联性,包括化学组成、生化组成、热值、密度、灰熔点等,得出生物质经热化学转化作为能源利用时的理化特性评价体系。通过生物质原料在隔绝空气条件下的热重试验,从动力学角度对热解失重过程进行了分析,得到不同类型生物质原料热解反应的表观动力学参数。以此为基础建立生物质原料热解过程的动力学模型。研究表明,生物质原料的热重曲线呈现出原料的不敏感性,显示基本一致的反应机制,其热解反应级数为1,活化能在60~90kJ/mol.K之间。在管式热解炉上以玉米芯、玉米秸为原料进行常压热解试验,分析反应温度、反应时间等对热解产物分布规律的影响。结果表明在:在400—800℃之间,热解反应产物中气态产物的质量比增加明显,从15%增加到60%以上,表明了温度对焦油裂解的促进作用。利用热重分析仪,以玉米秸和玉米芯为原料,分别采用等温热重和恒升温速率热重试验方法,研究不同热解条件和还原条件对还原反应的影响,借助试验与模型,分析过程影响和控制因素。试验比较发现:温度是还原反应的关键控制因素,850℃左右是还原反应机制变化的过渡区间;还原反应速度明显慢于热解反应,是气化器负荷设计的控制因素。在生物质原料的物理化学特性和热解、气化化学反应动力学系统试验分析的基础上,提出了两步法生物质气化技术路线,从工艺条件和反应器结构设计上满足生物质稳定气化和焦油裂解的技术条件。利用该工艺,当燃烧区温度高于920℃时,燃气焦油含量低于20mg/Nm3,符合实际工程需要,进一步验证了热解气化机理分析的合理性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物质能概述
• 1.2.1 生物质能源资源特点
• 1.2.2 生物质能源转化和利用方式
• 1.3 生物质热解气化技术简述
• 1.4 生物质热解气化过程与工艺
• 1.4.1 生物质热解气化过程
• 1.4.2 主要生物质气化工艺及分析
• 1.4.3 焦油特点及析出机理
• 1.5 课题来源
• 1.6 本文研究内容
• 第二章 生物质热解气化机理及表观动力学研究方法
• 2.1 生物质热解和还原过程
• 2.1.1 生物质热解过程
• 2.1.2 生物质还原过程
• 2.2 生物质热解气化的热分析及表观动力学研究方法
• 2.2.1 热分析方法介绍
• 2.2.2 表观动力学模型及参数分析方法
• 第三章 生物质理化特性
• 3.1 生物质原料的化学成分
• 3.1.1 生物质原料的元素分析
• 3.1.2 生物质原料的工业分析
• 3.1.3 生物质原料的发热值
• 3.2 生物质的生化组成
• 3.3 生物质原料的相关物理特性
• 3.4 本章小结
• 第四章 生物质热解过程动力特性研究
• 4.1 生物质原料热分析试验
• 4.1.1 试验仪器
• 4.1.2 试验物料准备和试验方法
• 4.1.3 生物质原料热重分析试验
• 4.2 生物质热解反应动力学模型建立与分析
• 4.3 生物质原料与反应动力学参数关联对比分析
• 4.4 生物质热解过程动力学模拟准确度评价
• 4.5 生物质管式热解炉试验
• 4.5.1 试验装置
• 4.5.2 试验方法
• 4.5.3 试验结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 生物质半焦还原特性试验研究
• 5.1 生物质半焦气化过程试验
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 热解条件对还原反应的影响分析
• 5.2.2 还原温度对还原反应的影响
• 5.2.3 升温速度对还原反应的影响
• 5.3 生物质半焦还原反应动力学参数的求取及分析
• 5.3.1 等温热重法求取动力学参数
• 5.3.2 非等温热重法求取动力学参数
• 5.4 本章小结
• 第六章 低焦油生物质热解气化技术与装置研究
• 6.1 两步法气化工艺与试验
• 6.1.1 两步法气化系统介绍
• 6.1.2 两步法气化中试系统试验
• 6.1.3 燃气焦油测试方法及试验数据
• 6.2 两步法气化装置特点分析
• 第七章 全文总结
• 7.1 本文研究工作总结
• 7.2 本文研究创新之处
• 7.3 工作不足与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢