基于多组分的生物质快速热解实验及模拟研究

摘要

生物质热解技术由于能将低品位的生物质能转化为高品质液体燃料或者高附加值的化工原料，在生物质转化技术中起着至关重要的作用。由于生物质热解过程十分复杂，生物油的组成成分有上百种，热解过程受到很多因素的影响，从反应机理和反应速率等方面对生物质热解产物进行模拟预测具有较多的不确定性。为了克服生物质本身结构复杂对热解模拟所带来的困难，简化模型，为生物质热解液化产物预测提供参考依据，本文利用生物质三组分（纤维素、半纤维素和木质素）叠加的方法进行研究，通过三组分的热解实验获得产物产率与组分含量之间的关系式，为生物质热解模拟提供实验基础。本文在该研究背景下，开展了生物质热解实验及其模拟研究。
　　 在管式炉反应器上对生物质三组分（纤维素、半纤维素和木质素）进行热解实验，考察热解温度对三组分热解产物的影响，对热解产生的不凝性气体和生物油进行组分分析。结果表明，温度对生物质热解有着显著的影响，随着温度的升高，焦炭产率不断降低，不凝性气体产率不断升高，而生物油产率先升后降，存在一最佳温度值。纤维素热解产生的焦炭产率最少而生物油产率最高；木质素中的灰分含量较高，灰分中的碱金属对焦炭的产生有一定的催化作用，因此木质素热解产生的焦炭最多；而木聚糖的不凝性气体产率最高。
　　 选取三种典型生物质（稻秸、玉米秆和花生藤）为原料，在管式炉反应器上进行热解实验，分析热解温度对产物的影响，并将三种组分的热解产物按照生物质中组分的含量进行叠加，与实验结果进行对比，分析组份叠加的可行性。结果表明，按照三组分叠加的方法来计算生物质的热解产物在一定程度上是可行的，在整个温度范围内产物的产率变化趋势是一致的。
　　 在以上实验的基础上，基于三组分叠加原理，根据400℃、500℃和600℃三个温度点所拟合出的产物产率与温度关系的曲线，利用Aspen Plus软件建立基于多组分的生物质快速热解模块，模拟热解温度对热解产物、不凝性气体组分和热值、生物油热值的影响。结果表明，生物质热解模块能够很好地反应出生物质的热解产物产率，热解所得结果与实验值能够较好地吻合，具有一定的通用性。建立串行流化床生物质热解系统，将生物质的燃烧与热解过程分开，针对自热平衡系统的实际，设计两种白供热方案，系统一对燃烧反应器添加一定量的新鲜生物质进行补燃，系统二将热解得到的焦炭一部分送入到燃烧反应器中进行燃烧。对系统的焦炭产率、生物油产率和系统效率进行分析。结果表明，两种系统都能很好地实现生物质的自热式热解，以制取生物油为目的，从系统生物油产率和系统效率等方面考虑，系统二的方案更优，所用的生物质总量较少，生物油产率较高，但应合理选择热解温度。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 生物质能的转化利用

1.2.1 主要转化途径

1.2.2 生物质热解

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外热解技术的发展

1.3.2 国内热解技术的发展

1.4 研究日的和主要研究内容

第二章 纤维素、半纤维素和木质素的热解实验研究

2.1 实验部分

2.1.1 实验装置与方法

2.1.2 实验材料

2.2 结果与讨论

2.2.1 反应温度对生物质热解产物的影响

2.2.2 反应温度对不凝性气体组分的影响

2.2.3 反应温度对生物油组分的影响

2.3 本章小结

第三章 生物质快速热解实验研究

3.1 实验

3.1.1 实验装置与方法

3.1.2 实验材料

3.2 结果与讨论

3.2.1 反应温度对生物质热解产物的影响

3.2.2 不同种类生物油产率随温度的变化

3.3.3 反应温度对不凝性气体组分的影响

3.2.4 反应温度对生物油组分的影响

3.3 生物质组分叠加分析

3.4 本章小结

第四章 基于多组分的生物质热解模型

4.1 ASPEN PLUS软件介绍

4.2 生物质快速热解模型

4.3 生物质快速热解模拟计算

4.3.1 原始条件及计算流程

4.3.2 计算结果及分析

4.4 本章小结

第五章 串行流化床生物质热解系统模拟分析

5.1 串行流化床生物质热解系统

5.1.1 系统方案

5.1.2 串行流化床生物质热解系统热力计算流程

5.2 系统主要计算条件及性能评价指标

5.2.1 计算条件

5.2.2 主要评价指标

5.3 系统性能分析

5.3.1 系统焦炭产率

5.3.2 系统生物油产率

5.3.3 系统效率

5.3.4 两种系统的对比

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文（第一作者）