生物质与煤共气化制取富氢燃气的试验及模拟研究

摘要

能源与环境问题，已成为21世纪制约人类社会进步和发展的关键问题，开发清洁、高效的新能源已成为世界各国研究的重点项目。生物质能源由于储量丰富、利用无污染、价格低廉等优点，成为研究的重中之重。而氢能是非常重要的二次能源，是航空、化工的领域不可缺少的能源及原料。利用生物质能制取氢气，势必成为对社会、经济和技术非常有价值的研究工作。 本文是在江苏大学提出的“单一流化床两步气化法”工艺系统的基础上，对生物质与煤共气化反应过程进行了一系列的试验和模拟研究。在完成了试验台系统搭建的基础上，着重研究了生物质与煤共热解过程，及生物质与煤共流化床水蒸气气化过程，并对气化过程进行了过程模拟研究。得到如下主要结论：首先，进行了煤与生物质共热解热重试验，结果表明：共热解过程中，煤热解的失重峰有所提前，并且两者表观活化能都低于单独热解时的数值，表明两者有热解中存在一定协同性；其次，在自行设计的试验台上，利用煤与生物质为原料，完成了气化试验，并得到了反应温度，S/B，生物质与煤比例等气化制约因素对制氢的影响，结果表明生物质与煤在流化床中共同流化特性良好；气化过程中，反应温度和水蒸汽用量是提高氢气产量以及潜在产氢量的重要参数，且得到的气化燃气中焦油含量小于1.0 mg/m3。当反应温度的区间在1050～1000℃、S/B为2.07、生物质与煤的混合比值为4/1时，每千克无灰干基生物质和煤的产氢量为60.3g，而潜在产氢量最大值达116g；最后，针对本工艺系统，利用ASPEN PLUS软件，进行了化学过程模拟，通过与试验结果的对比，证明了模型的准确性，并利用软件中灵敏度分析的功能，对反应温度，S/B，CaO催化剂等制约生物质气化制氢的因素进行了研究，模拟结果与试验结果吻合，表明高温下，增加水蒸气用量可以有效提高燃气中氢气的纯度和产量；CaO催化剂存在的情况下，可以调整气体成分。同时通过灵敏度分析得出，水蒸气与生物质的质量比(S/B)值对非可燃性气体H2的产量和在产气中的体积百分比浓度有直接的影响，其次为气化反应温度的影响，最后是CaO催化剂的影响作用这个结论。并且在有CaO催化剂的条件下，生物质气化制氢的最适宜温度和S/B值都有所下降，表明CaO催化剂对生物质气化制氢过程有很好的定向催化的作用，能产生更多更纯的氢气。本文的研究工作对今后生物质与煤共气化技术大规模应用和产业化提供了一定的依据和有重要参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2生物质能转化和利用的技术现状

1.3生物质气化技术的研究意义

1.3.1生物质气化工程

1.3.2生物质气化产品的使用途径

1.3.3生物质气化的优势

1.3.4生物质气化制取富氢燃气的特点

1.4生物质气化制氢技术研究现状

1.5生物质气化模拟研究现状

1.6本论文的研究意义和内容

第二章生物质与煤共热解热重实验

2.1引言

2.2生物质与煤共热解研究进展

2.3生物质与煤共热解实验

2.3.1实验原料

2.3.2实验方法及仪器

2.4结论

2.4.1生物质(稻秸秆)与煤单独实验结果及分析

2.4.2稻秸秆与两种煤共热解实验结果及分析

2.4.3升温速率对混合物热解过程的影响

2.5热解反应动力学分析

2.5.1稻秸秆与煤(褐煤及无烟煤)单独热解过程动力学分析

2.5.2稻秸秆与褐煤混合物的动力学分析

2.6本章小结

第三章生物质与煤共气化制取富氢燃气系统简介

3.1引言

3.1.1生物质气化炉

3.1.2国外生物质气化设备现状

3.1.3国内生物质气化设备现状

3.2“单一流化床两步气化法”系统简介

3.3生物质与煤“单一流化床两步气化法”制取富氢燃气的特点

3.4生物质气化制氢主要方法比较

3.5本章小结

第四章生物质与煤共气化制氢的模拟研究

4.1前言

4.2化工过程模拟和ASPEN PLuS软件介绍

4.2.1.化工过程模拟

4.2.2 ASPENPLUS过程模拟软件介绍

4.3流化床气化炉ASPEN PIUS软件建模

4.4软件模拟运行结果与分析

4.4.1模拟计算参数

4.4.2模型运行结果与试验结果验证

4.4.3各反应参数对气化制氢的影响

4.5本章小结

第五章生物质与煤共气化试验研究

5.1.试验原料

5.2冷态试验

5.2.1螺旋进料装置进料量试验

5.2.2双组分颗粒系统流化特性试验

5.3热态试验

5.3.1前言

5.3.2热态试验步骤

5.3.3试验结果分析

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学术论文和参加的学术论坛及参与的项目