湿生物质定向气化制取高浓度氢气的实验研究及理论分析

摘要

为了改善能源结构和缓解目前严重的环境污染问题,人们越来越重视清洁能源一氢能的开发和利用。生物质蒸汽气化制氢是富有发展前景的可再生资源制氢技术。本文针对生物质蒸汽气化产氢浓度低、能耗高的缺点,提出了湿生物质定向气化制取高浓度氢气工艺。该工艺将湿生物质干燥、热解、蒸汽气化、高温原位CO2分离集中在一个反应器内进行,利用高温原位CO2分离技术突破反应器内热力学平衡的限制,定向推动蒸汽重整反应向着产氢方向进行,应用湿份干燥产生的自发蒸汽进行蒸汽气化,在获取产氢浓度较高的气化气的同时简化操作、降低能耗,具有较好的经济性。围绕该工艺的构建,本论文开展以下研究工作:
　　 (1)自发蒸汽气氛内生物质热解/气化研究。在自制的两套反应器内进行湿生物质热解/气化研究,研究湿度、温度、加热速率、停留时间对产物分布、产气组分分布、碳转化率等参数的影响规律,重点讨论应用自发蒸汽进行蒸汽重整的可行性。结果表明加热速率对应用自发蒸汽进行蒸汽重整具有决定作用。采用高加热速率时,干燥和热解发生在一个相对较短的时间段内,强化了自发蒸汽与热解中间产物(焦油、半焦)的接触频率,从而提高产氢量以及产氢浓度。增加载气流量降低了自发蒸汽、热解挥发份在反应器内的停留时间不利于蒸汽重整。此外,还研究了热解/气化中半焦微晶结构的变化规律。研究表明饱和结构(γ带)的分解集中在573～673K之间。芳香结构的分解贯穿整个反应过程,但不能完全分解,是构成焦炭的主要结构。低温(<573K)时,γ带衍射线增加以及芳香度降低从微晶结构证明了生物质热解初期活性中间态物质的存在。
　　 (2)湿生物质定向气化热力学分析及实验研究。运用热力学分析和实验研究两种方法对湿生物质定向气化进行研究。热力学分析表明CaO碳酸化反应能突破热平衡对气相反应的限制,定向推动气相反应向着产氢方向进行。随着[Ca]/[C]、S/B的增加,产氢量、产氢浓度增加。CaO碳酸化反应进行的程度直接关系到定向气化的效果。CO2分压低是制约CaO碳酸化反应的主要因素。实验研究表明湿度、温度、[Ca]/[C]等参数对定向气化过程的影响与热分析结论基本相同。高温强化了生物质、焦油热分解等反应产生较多氢气,但是不利于CaO碳酸化反应。高温时生成的CaO活性较差,这一点在XRD谱图和SEM图片上也有所体现。定向气化操作的最佳温度在923～973K。此外,还发现Ca(OH)2对水煤气反应的促进作用明显大于对甲烷蒸汽重整的影响。
　　 (3)CaO吸收剂循环性能改进实验研究。围绕钙基吸收剂不完全转化以及循环吸收能力下降,结合湿生物质定向气化实际操作条件,开展以下研究:定向气化过程中钙基吸收剂孔隙结构变化；钙基吸收剂蒸汽活化和水合活化；煅烧条件对h-CaO吸收能力的影响规律；实际生物质定向气化中的钙基吸收剂循环特性。研究表明Ca(OH)2分解能引起孔隙结构的增加,特别是中孔范围内的孔；CaCO3所造成的孔堵塞主要是针对孔径小于25nm的孔。活化温度对蒸汽活化效果有较大的影响。随着活化温度的升高活化效果逐渐下降,最高活化温度为598K。煅烧条件对Ca(OH)2分解产物的CO2吸收能力有较大的影响。首次发现煅烧初期延长煅烧时间会导致其分解产物的CO2吸收能力大幅度下降。随着温度的增加,吸收能力下降幅度减少。相对于氮气气氛,在蒸汽气氛中煅烧,吸收能力下降幅度较大。在生物质定向气化中采用可蒸汽活化可以对CaO进行有效活化。
　　 (4)移动填充床内湿生物质定向气化理论分析。从动力学角度对移动填充床内湿生物质定向气化进行理论研究。建立了系统的湿生物质定向气化动力学模型,对影响生物质定向气化制氢的几个关键参数进行研究,分析气化过程中一次蒸汽、挥发份、二次蒸汽析出规律以及CaO碳酸化反应对气化反应的作用机理。此外,通过理论计算获取反应器设计相关参数也是本章模拟计算的一个目的,以期为生物质定向气化制氢工业化应用提供理论依据。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文答辩决议书

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 氢能现状

1.3 生物质能的特点及开发意义

1.4 生物质制氢技术概述

1.4.1 热解制氢

1.4.2 气化制氢

1.4.3 超临界水制氢

1.4.4 高温等离子体制氢

1.4.5 催化剂研究进展

1.5 SEHP研究现状

1.6 本课题主要研究内容

参考文献

第二章 自发蒸汽气氛内生物质热解/气化研究28

2.1 实验部分

2.1.1 实验物料

2.1.2 实验装置及实验方法

2.1.3 产物分析

2.1.4 数据处理

2.1.5 误差分析

2.2 实验结果与分析

2.2.1 温度对湿生物质热解/气化的影响

2.2.2 湿度对湿生物质热解/气化的影响

2.2.3 停留时间对湿生物质热解/气化的影响

2.2.4 加热速率对湿生物质热解/气化的影响

2.3 结论

参考文献

第三章 湿生物质定向气化热力学分析及实验研究

3.1 热力学分析

3.1.1 热力学分析方法介绍

3.1.2 热力学平衡计算方法

3.1.3 计算结果及分析

3.2 湿生物质定向气化实验研究

3.2.1 自发蒸汽式生物质定向气化制氢工艺

3.2.2 实验部分

3.2.3 实验结果及分析

3.2.4 固体残留物分析

3.3 绪论

参考文献

第四章 CaO吸收剂循环性能改进实验研究

4.1 实验部分

4.1.1 钙基吸收剂循环性能测试

4.1.2 FTIR

4.1.3 碱度

4.2 结果与分析

4.2.1 定向气化中吸收剂孔隙结构变化

4.2.2 吸收剂活化研究

4.2.3 煅烧条件对h-CaO吸收能力的影响

4.2.4 实际生物质定向气化中CaO转化率的变化

4.4 结论

参考文献

第五章 移动填充床内湿生物质定向气化理论分析

5.1 移动填充床内湿生物质定向气化方案

5.2 移动填充床内湿生物质定向气化模型的构建

5.2.1 模型假设

5.2.2 动力学模型

5.3 计算结果与分析

5.3.1 加热蒸发段和热分解段

5.3.2 蒸汽重整段

5.4 结论

参考文献

第六章 总结

6.1 全文工作总结

6.2 本文创新点

6.3 进一步工作计划及建议

攻读博士学位期间发表的论文与所获奖励

致谢