旋风空气分级复合气化及气化焦特性研究

摘要

生物质气化技术是生物质高效利用技术之一。基于生物质热化学转化过程中热解和燃烧解耦的思想，提出旋风空气分级复合气化技术，该技术能够有效解决以往旋风气化技术中有效反应时间短、风量配比不合理、温度场分布不均、燃气热值低，有效地改善了反应的充分性。
　　本课题完善了旋风空气分级复合气化实验系统，在由旋风炉反应器主体、给料系统、供风系统组成的实验系统的基础上增加了焦油催化裂解装置和二次旋风分离两个结构。在此实验系统上针对燃烧过程和气化起始温度低，起炉初期燃烧不稳定等问题，进行了实验系统起炉流程的优化工作，采用双给料伴燃方式和稻壳给料量为8.62kg/h，空气当量比为0.75，一次风、二次风、底部风风率分别为0.48/0.14/0.38的燃烧过程，使得起炉过程升温速率高，升温过程稳定，终温满足自气化，重复性好。
　　在本实验系统上进行了稻壳的旋风空气分级复合气化实验研究，探索了在一次风风率不变的情况下，底部风配比对稻壳旋风空气分级复合气化效果的影响规律，研究表明底部风风率在0.40-0.60范围内变化时，随底部风风量的减小，CH4体积百分含量由2.607％增大至3.185%，C2H4体积百分含量由1.030%增大至1.314%，C2H2体积百分含量由0.080%增大至0.122%，C2H6体积百分含量由0.074%增大至0.168%，H2体积百分含量由2.493%增大至3.912%。CO体积百分含量在19.117%至21.780%间先增大后减小，在底部风率为0.50时达到最大值。在一次风、二次风、底部风风率分别为0.30/0.20/0.50的实验条件可以获得了较好的气化效果，其焦油含量为3.240 g/Nm3，气体产率为1.294 Nm3/kg，碳转化率和气化效率分别为71.5%和50.8%。此外，通过在燃气出口处安装了焦炭催化裂解焦油的装置，以此研究焦炭催化剂对燃气中焦油的催化裂解作用，实验表明：焦炭催化裂解焦油的焦油脱除率随着燃气出口温度增加呈先增加后减小的变化规律，在出口温度为748℃（即底部风风率为0.50）时达到最大，焦油脱除率为68.58%。
　　水蒸气-空气气化研究作为下一步旋风气化的方向，为了给旋风气化炉水蒸气气化的工艺参数优化提供理论依据，在固定床/流化床反应器上进行气化焦的水蒸气气化反应，研究发现温度在700℃-900℃范围内气化焦二次气化的失重率随温度升高先增大后减小，在850℃时达到最大值29.56%。通过FTIR和Raman对不同温度下的二次气化焦的官能团结构进行了分析，分析发现随着温度的升高，FTIR测试中的含氧官能团、脂类官能团、C=C及Raman测试中的总峰面积均减少，D峰与 G峰的比值先增大后减小，D峰与（GR+VL+VR）峰的比值逐渐升高，S峰与 G峰的比值逐渐降低，在800℃气化温度条件下，水蒸气气化效果最为明显，表明水蒸气气化可以进一步促进空气气化焦的转化，为旋风气化炉生物质水蒸气气化的工艺参数优化提供了理论依据。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源与研究背景

1.2 生物质旋风气化技术的国内外研究现状

1.3 焦炭催化裂解焦油的国内外研究现状

1.4 论文主要研究内容

第2章 实验系统简介

2.1 引言

2.2 旋风空气分级复合气化技术原理

2.3 旋风空气分级复合气化实验装置

2.4 自热式气化炉起炉过程的优化

2.5 本章小结

第3章 旋风空气分级复合气化实验研究

3.1 实验内容

3.2 底部风风率对气化效果的影响

3.3 焦炭对产品气中焦油的脱除效果的实验研究

3.4 本章小结

第4章 气化焦水蒸气气化实验研究

4.1 引言

4.2 固定床/流化床实验系统

4.3 实验内容

4.4 气化焦水蒸气气化实验研究

4.5 本章小结

结论

研究工作的未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢