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

摘要

随着化石燃料的日益紧张及环境的恶化，能源问题困扰经济的发展及生活环境，生物质能源是一种能够缓解这种现状的可再生能源，它具有含量大和可再生等优点，生物质气化是生物质能源利用中常用的利用方式。目前传统的气化方式中存在着制气成本较高及不能有效地提高燃气的纯度等缺点，制约着生物质气化技术的发展，与此相比，生物质化学链气化能够降低气化成本，且同时能够有效的控制合成气中的CO2和H2O，提高合成气的纯度。目前国内外关于生物质化学链气化有一定的研究，但是研究主要偏重于载氧体的性能研究，关于生物质化学链气化热力学特性及实验气化组分特性研究较少，特别是载氧体与生物质半焦的反应特性及动力学特性研究很少，然而载氧体与生物质半焦的机理反应特性对生物质化学链气化至关重要。因此本文主要基以上分析进行研究，具有重要的实际意义及学术意义。
　　本文首先采用理论方法，进行了核桃壳化学链气化热力学特性研究，寻求优化反应条件，以为实验条件的设定提供依据；其次，应用固定床、TG-FTIR、扫描电镜实验研究了核桃壳、CaSO4、水蒸气化学链共气化特性及焦结特性，深入探讨了影响钙基载氧体与生物质反应时间长短的关键因素；最后基于固相热解反应动力学机理，深入研究了核桃壳半焦与载氧体的反应特性及动力学特性及模型。研究结果表明：
　　(1)综合气化效果及生成CaO等物质的负反应的程度，获得了CaSO4/核桃壳高效气化优化反应条件。CaSO4与核桃壳反应的最佳摩尔比为0.11，最佳温度为1000℃左右，对应不同温度适当调高压力，空气反应器中最佳反应温度是950℃。
　　(2)发现CaSO4/核桃壳配比、反应温度与压力、水蒸气份额大小对核桃壳化学链气化组分及效果有较大的影响。CaSO4/核桃壳摩尔比、温度的升高能够促进生物质化学链气化，而的增高不利于核桃壳化学链气化。当CaSO4/核桃壳质量配比为0.4时，CO能够达到最大值；温度的升高能够提高碳转化率，且随着温度的升高，H2和CO的浓度都逐渐增加；水蒸气对气化组分有较大的影响，能够提高核桃壳碳转化率，且随着水蒸气浓度的增高，碳转化率逐渐升高，而气体热值逐渐降低。
　　(3)通过TG-FTIR利用技术对核桃壳及核桃壳半焦与载氧体反应特性研究，探讨了以CaSO4为载氧体的核桃壳半焦化学链气化反应参数及特性，研究发现，适当的配比载氧体及提升温度都能提高半焦与载氧体的反应速率，缩短反应时间。CaSO4/核桃壳半焦的反应在950℃左右存在一个失重峰，且反应期间气体产物有CO、CO2、COS、SO2等四种物质，通过对不同配比进行实验研究，发现适当的提高CaSO4/核桃壳半焦质量比有利用增强反应活性，温度对核桃壳焦结构变化有很大的影响，随着温度的增高，核桃壳半焦坍塌增强，增强半焦的气化效果。
　　(4)利用Ozawa法计算活化能，结果表明：随着转化率的增加，活化能呈现降低趋势；利用Coats－Redfern积分法和Malek法对半焦/CaSO4的动力学机理函数求取，反应机理函数为相界面收缩球状模型。
　　本文的研究丰富了生物质化学链气化的研究成果，在一定程度上为生物质化学链气化提供了实验基础及理论依据。

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主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 生物质气化特性研究现状

1.3化学链化学链燃烧及化学链气化的研究现状

1.4生物质半焦与载氧体的反应特性研究现状

1.5 本课题研究内容

2 生物质化学链气化反应热力学特性研究

2.1引言

2.2气化热力学分析方法

2.3化学链气化过程中的化学反应

2.4气化循环反应过程中化学平衡分析

2.5小结

3 生物质化学链气化及CaSO4-水蒸气共气化实验研究

3.1 引言

3.2实验系统及方法

3.3 生物质化学链气化

3.4小结

4 生物质及生物质半焦/CaSO4的反应特性及动力学特性研究

4.1引言

4.2实验系统

4.3生物质与载氧体的反应特性

4.4 生物质半焦/CaSO4气化反应特性及动力学分析

4.5结论

5 结论及展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录

A作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目