生物质成型燃料固定床热解气化研究

摘要

生物质以其产量大、CO2零排放等优点成为替代化石燃料的重要可再生能源。生物质气化技术作为一项重要的热化学转换技术，受到越来越多的关注。一般农作物秸秆、木屑都具有疏松、密度小、单位体积的热值低等缺点，作为燃料使用很不方便，造成大量农作物秸秆等被废弃。生物质燃料成型技术有效地解决了这一问题，并且可以改变木屑、秸秆等生物质的燃烧特性，实现快速、洁净、高效燃烧。对生物质成型燃料气化的理论研究和技术研究是推动生物质成型燃料推广应用的一个重要因素。
　　 首先采用自制大物料(2g)热重对典型的生物质组分进行等温热解研究，采用化学动力学法拟合了热解过程中的质量损失与时间的单方程速率模型，并求解了宏观模型的动力学参数。结果表明等湿热解特性明显区别于常规的热重分析，反应过程中的温度梯度大，内部的物料需要外部传热，所以反应过程相互叠加出现多个峰值，而且湿度提高峰值出现的时间早，峰值的值也较大。
　　 热重方法侧重于测定反应物的质量变化，因此对气态产物的二次反应无法涉及，管式炉实验定量分析了热解产物。在管式炉上进行2g物料的热解产气特性，分析了瞬时产气特性，研究不同温度、N2流量对气体成分热值等影响规律，并研究了CaO添加剂的影响。温度的提高能大幅度提高产气热值，较小的N2流量使气体滞留时间变长，气化反应充分。CaO的添加催化效果明显，能使H2的含量增加，CO2大幅减小，促进了焦油的裂解，大幅度改善燃气品质。
　　 然后在自行搭建的固定床气化实验台上对生物质成型燃料进行了连续给料的空气气化和水蒸气气化实验。主要考察了（温度，ER，湿度，添加水蒸气，添加CaO）对生物质成型燃料产气组成、热值、气化效率以及产气率等参数的影响。实验分析表明，随着温度的增加，反应程度更加的激烈，气化效率由58％提高到68％左右。ER的提高，气化气中的可燃组分H2、CH4和CO含量减少，使得气化气热值降低。燃气热值和气化效率随物料的含水率提高呈现先增后降的变化趋势，原料的湿度需要控制在一定范围内对于气化有益。添加了CaO作为催化剂之后，降低了空气气化中的CO2含量，显著提高了气化气的热值。CaO添加对生物质的气化产物中氢气和CO含量有显著的提升。将生物质原料与制成生物质成型燃料气化效果比较发现，生物质成型燃料气化效果更佳，气化过程更加稳定。
　　 从生物质气化炉推广的角度，基于CDM申请，计算了一台4t的燃煤锅炉改为生物质气化直燃炉后温室气体减排能力，一年可以减少排放5965.24 tCO2，具有很好的社会效益和环保效益。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 生物质与生物质能

1．2．1 生物质来源

1．2．2 生物质能的特点

1．3 生物质资源化利用渠道

1．3．1 生物质直接燃烧的方式

1．3．2 生物质的热化学转换方式

1．3．3 生物质的生物化学转换方式

1．4 生物质成型燃料研究意义

1．5 本文主要内容简介

2 生物质热解气化研究综述

2．1 生物质气化炉的分类

2．1．1 固定床气化炉

2．1．2 流化床气化炉

2．2 生物质气化炉的原理

2．3 生物质气化的影响因素

2．3．1 温度的影响

2．3．2 ER的影响

2．3．3 S／B的影响

2．3．4 粒度的影响

2．3．5 催化剂

2．4 生物质气化国内外研究现状

2．4．1 生物质气化国外研究现状

2．4．2 生物质气化国内研究现状

2．5 本章小节

3 生物质等温热解动力学特性研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验装置

3．2．2 实验方法

3．2．3 实验材料

3．3 生物质热解结果与分析

3．3．1 工况分析

3．3．2 热重实验分析

3．3．3 反应机理函数G(α)的拟合

3．3．4 化学动力学参数E和A的求解

3．4 模型验证

3．5 本章小节

4 生物质管式炉热解气化实验

4．1 引言

4．2 实验准备

4．2．1 实验装置

4．2．2 实验物料准备

4．3 生物质热解实验

4．3．1 生物质颗粒产气速率的比较

4．3．2 不同温度对生物质热解产气的影响

4．3．3 N2流量对热解产物分布的影响

4．4 生物质催化热解实验

4．4．1 温度的影响

4．4．2 CaO/B的影响

4．4．3 CaO和生物质混合方式的影响

4．4．4 S/B的影响

4．5 本章小节

5 连续运行生物质气化炉实验研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验物料的准备

5．2．2 连续运行固定床气化实验台介绍

5．2．3 实验过程介绍

5．2．4 固定床气化热力计算

5．3 固定床气化实验结果分析

5．3．1 当量比(ER)对生物质气化的影响

5．3．2 温度对生物质气化的影响

5．3．3 湿度对生物质气化的影响

5．3．4 空气-水蒸气对生物质气化的影响

5．3．5 CaO对生物质气化的影响

5．3．6 生物质成型燃料与生物质原料气化结果比较

5．4 本章小节

6 中小型生物质气化炉CDM项目减排效益分析

6．1 引言

6．2 项目背景介绍

6．2．1 清洁发展机制

6．2．2 经济效益分析

6．3 生物质气化炉的CO2减排效益

6．3．1 基准线情景温室气体排放量估算

6．3．2 项目情景下温室气体排放量的估算

6．3．3 项目泄露

6．3．4 CDM项目温室气体减排量的计算

6．3．5 CDM下生物质气化炉的减排效益及额外性分析

6．4 项目开发的建议

6．5 本章小结

7 全文总结

7．1 主要工作和结论

7．2 本文的主要创新点

7．3 研究展望

参考文献

作者简介及发表论文情况