煤/生物质共气化过程中物料对合成气组成的调变

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煤/生物质共气化技术是解决我国化石能源危机以及化石能源利用中污染物排放问题的有效方法之一。生物质能源是清洁、可再生能源并且在其全生命周期内CO2近零排放。但是,在生物质与煤的共气化过程中,由于生物质挥发分高,着火点低,相比于煤而言,生物质更容易与氧气发生燃烧反应生成CO2和H2O,这不仅降低生物质原料中C、H、O的元素利用率,而且还会由于生物质的热值较低而降低反应器温度,影响产气组成。如何避免生物质和煤的混合物料在共气化过程中生物质能量密度低带来的不足而能充分发挥利用生物质半焦的高气化反应性以及生物质中富含的碱金属对煤气化的催化作用,这对生物质和煤共气化技术的发展和应用有很重要的意义。本文利用实验室搭建的两段流化床反应器,研究生物质在燃烧区添加和其在还原区添加时对共气化产气组成的影响,以及在调变还原区中的生物质添加比例、水/碳、温度等因素时所引起的产气组成的变化规律,得到不同进料位置所引起的反应器化学环境变化的规律以及相应的对产品碳氢比的影响规律,使其能够最大程度的满足合成所需的元素比例。此外,为了进一步明确两种物料热量传递过程,将共气化过程解耦为共热解制焦和焦的气化两个过程,利用同步热分析仪对煤/生物质共热解过程中的热量传递进行测定分析。主要结论如下:1.在煤/生物质共气化过程中,生物质和煤在不同反应区加入则会直接引起反应器化学环境的改变进而影响共气化气体组成和气化效率:(1)当添加的生物质没有和煤一起混合加入反应器,生物质处于强氧化环境时(反应区域只有氧气),生物质的燃烧产品会使得煤气化产品的H2和CO含量分别由40.41%、36.39%下降到34.94%、30.05%;若添加的生物质处于还原环境时(反应区域只有生物质和水),其气化产品对使得煤气化产品中的H2和CO含量分别由40.41%、36.39%增加到45.35%、38.83%。(2)当添加的生物质与煤的混合原料一起加入反应器,但生物质处在一个强还原反应的区域(反应区域有煤、水和二氧化碳),混合物料气化产品气中H2和CO含量会随着生物质添加比例的增加而增大,CO2含量则随生物质添加比例的增加而降低,同时原料中的C、H、O元素利用率随着生物质添加比例的增加而有明显的提高;此外,随着还原区中水/碳比的增加,产气中H2含量增加,CO和CO2的含量降低,有利于提高原料中C、H元素利用率,不利于O元素利用率提高;提高还原区的温度,则会提高产气中CO和H2的含量,降低了产气中CO2的含量,同时提高了原料中C、H、O的元素利用率;(3)当添加的生物质与煤的混合原料一起加入反应器,但生物质和煤两种物料处于弱还原反应的区域(反应区域有煤、水、一氧化碳和少量氧气),混合物料气化产品气中的H2和CO含量会随着生物质添加比例的增加而增大,当生物质比例从0到20%时,H2和CO含量分别从41.2%、30.8%提高到47.6%、36%;CO2含量则从27.3%降低到15.5%,同时当弱还原区的生物质添加比例到20%时,原料中C、H、O元素利用率分别将近增加了13%、13%、11%;此外,随着弱还原区中水/碳的增加,产气中H2含量增加,CO和CO2的含量降低,有利于提高原料中C、H元素利用率,不利于O元素利用率提高;提高还原区的温度,则会提高产气中CO和H2的含量,降低了产气中CO2的含量,同时提高了原料中C、H、O元素利用率。2.通过对同步热分析实验所得DSC曲线进行处理和积分得到热解过程达到热解终温时原料的吸热量。共热解过程所需的吸热量随着生物质添加比例的增加而降低,当生物质添加比例为20%时候,热解所需要的热量由单独煤热解所需的1333.8 J/g降为1176.3 J/g。
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