生物质热解中氧化钙原位脱焦脱碳机理与实验研究

摘要

生物质热转化中焦油和CO2脱除问题日益受到重视。本文以获取生物质基高品质燃气为目标，提出了基于氧化钙的生物质热解原位脱焦脱碳技术路线，通过热力学平衡计算和实验研究脱焦脱碳机理，获取优化工艺参数，为技术推广应用提供理论和技术上的支持。
　　通过文献查询及估算获得了生物质热转化相关化合物的热力学性质数据，初步建成了数据库。利用热力学平衡模拟方法考察操作参数对基于CaO的生物质热解原位脱焦脱碳产物分布的影响，选择常压、700℃和氧化钙和木屑质量比（Ca/B）为0.65作为实验操作基准条件。通过 TGA热重实验考察不同因素对CaO吸收CO2的影响，发现CaO在700℃有较高转化率，CaO转化率随循环次数增加而减小，气体组分H2、CO、CH4、水蒸气和固体MgO的加入对碳酸化反应具有促进作用，而K2CO3却使CaO吸收活性下降。在热力学模拟计算的基础上，利用微反装置进行 CaO催化裂解甲苯试验，随着温度的升高，甲苯转化率上升，在700℃时，甲苯转化率为52％左右，水蒸气的存在能够促进甲苯裂解，但过量则降低气体产物热值。
　　利用裂解器-气质系统（Py-GC/MS）进行木屑热解原位脱焦脱碳试验，分析了CaO负荷对产物分布的影响。不凝性气体热值随着 Ca/B的增加而升高，当Ca/B超过0.65时，热值接近16MJ/Nm3，其增幅较小；随着Ca/B的增加，可凝性产物中含量最大的醛酮类物质产量略有下降，而酸类、芳香烃类和苯酚类物质产量急剧下降；同无CaO添加时相比，Ca/B为0.65时，焦油量减少约40%；半焦中C元素的含量高达66.9%，可作为燃料燃烧供给热量。
　　根据基础试验结果，提出了生物质热解原位脱焦脱碳制备高品质燃气技术路线，形成了生物质移动床热解集成碳酸钙流化床煅烧的工艺和装备，并进行了系统实验。在热解温度700℃、CaO再生温度900℃、Ca/B为0.65和常压操作条件下，燃气中H2和CH4的体积含量可达到40%和26%，而CO和CO2则分别为17%和4%；产物气体热值达到16MJ/Nm3，且焦油含量在50mg/Nm3以下；系统的冷气效率达到51.2%，具有较高的能量利用率，因此，该技术是非常有前途的生物质能利用方式。

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第一章 前言

1.1研究目的和意义

1.2生物质热解原位脱焦脱碳过程

1.3课题来源

1.4本文的主要研究内容

第二章 文献综述

2.1生物质热解制备燃气研究

2.2氧化钙基吸收剂的CO2脱除研究

2.3生物质热转化中焦油脱除研究

2.4基于钙基的生物质热转化原位脱碳制备气体研究

第三章 生物质热解脱焦脱碳制备燃气过程的热力学分析

3.1热力学分析方法

3.2反应条件探讨

3.3操作参数选择

3.4本章小结

第四章 氧化钙吸收二氧化碳机理及循环特性研究

4.1实验方法

4.2升温速率对吸收反应影响

4.3温度对吸收反应影响

4.4 CO2分压对吸收反应影响

4.5吸收再生循环特性实验

4.6本章小结

第五章 氧化钙催化焦油裂解研究

5.1试验方法和装置

5.2氧化钙催化甲苯裂解的热力学平衡计算

5.3氧化钙催化焦油裂解试验

5.4本章小结

第六章 生物质热解原位脱焦脱碳制备燃气Py-GC/MS试验研究

6.1试验方法和装置

6.2试验研究

6.3本章小结

第七章 生物质热解原位脱焦脱碳制备燃气系统开发和试验

7.1试验系统设计

7.2移动床热解脱焦脱碳集成氧化钙再生系统试验

7.3系统的能量平衡

7.4本章小结

第八章 全文总结和进一步的工作

8.1全文总结

8.2主要创新点

8.3进一步的工作

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢