生物质流化床的水蒸汽气化实验研究

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随着世界工业化进程的快速发展,人类对优质能源的需求也越来越强烈。目前,在能源危机和环境污染日益严重的情况下,世界各国都在积极寻求能够提高能源效率的新的绿色可再生能源。作为最广泛的可再生资源,生物质因其对化石燃料的低依赖性和温室气体的低排放性,已经成为各国研究的热点。生物质气化技术是有效利用生物质的途径之一,而采用水蒸汽作为气化剂可以大幅度的提高产气中H2的含量,得到高热值燃气。本课题以生物质锯末为原料,在流化床反应器中对生物质流化床水蒸汽气化特性进行了探索研究,主要研究内容和结论如下:  (1)对实验室现有的流化床进行改进,采用自主改进的螺旋进料器,通过调节电机转速从而带动绞龙的旋转速率而达到控制进料量,随着电机转速的增加,进料量呈线性增加;采用全自动电热蒸气发生器供给水蒸汽,通过调节水蒸汽压力控制不同水蒸汽流量。  (2)在自制的流化床装置上进行水蒸汽气化实验,分别研究了反应温度、水蒸汽流量和颗粒粒径对气体产率、气体组分和合成气组分的影响。结果表明:随着温度的升高,气体产率由0.76L/g增加至1.19L/g,H2含量增加,H2/CO由1.05增至1.87,另外残炭颗粒的表面逐渐熔化,挥发分析出,造成表面较大的孔洞;水蒸汽流量对生物质水蒸汽气化反应也有重要的影响,蒸气流量由10g/min升高至25g/min,气体产率由0.76L/g到1.72L/g,合成气含量及H2/CO比值增加;颗粒粒径相比温度及水蒸汽流量对气化结果影响不大。利用Fluent软件对生物质流化床水蒸汽气化进行了模拟,结果发现与实验的变化趋势相似。  (3)采用TG-DTA分析添加钙基催化剂CaO/Ca12Al14O33情况下与没有添加催化剂情况下生物质的失重特性,结果表明钙基催化剂的加入有助于促进挥发分的析出,能够促进生物质热解过程中焦油的裂解。考察了添加钙基催化剂对气化结果的影响,结果表明:催化剂量的增加,使得气体产率、合成气含量增加,但是当Ca/C大于1时,气体产率开始减小;在添加钙基催化剂条件下,温度的升高、水蒸汽流量的增加,气体产率及合成气品质都得到提高,气化效果较未添加催化剂效果好;最后比较钙基催化剂与其他几种催化剂性能区别,相同条件下,钙基催化剂CaO/Ca12Al14O33的催化效果明显优于CaO和焦炭。  (4)采用热重法分析了生物质水蒸汽气氛下的热失重行为,发现生物质的热失重过程主要分为挥发分析出阶段和半焦气化阶段;采用Coats-Redfern积分法对两阶段进行动力学参数求解,结果表明挥发分析出阶段由一级动力学反应模型描述,对应的活化能为88.448kJ/mol;半焦气化阶段由扩散反应控制一维扩散模型描述,对应的活化能为41.372kJ/mol。
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