生物质与煤共气化制富氢燃气过程建模研究与机理分析

摘要

生物质是一种可再生清洁能源,通过热化学转化可以制得可燃气体产物。这些气体产物可以用作燃料、合成气等。调节转化过程的操作条件可以改变可燃气体中的气体成分,以适应后续工艺的要求。本文以江苏大学生物质与煤共气化制氢工艺为基础,研究在加入催化剂后各操作条件对燃气成分的影响,并选择最优的工艺操作条件。
　　 通过建立适合工艺特点的数学模型来研究工艺的机理是一种既经济又有效的研究方法,得到的模拟数据对后续的实验操作具有很好的指导作用。本文首先建立了工艺的热力学模型,针对模型中模拟结果显示出来的问题,又采用动力学模型从另一个角度建模分析,最后利用模型得到的结论及催化剂的催化理论,对催化剂再生循环、失活、不完全转化等方面进行了总结分析,提出了催化剂气化中的问题,对气化过程中加入催化剂后的气化机理进行了分析和讨论,并对提高催化剂循环过程中的活性提出了研究方向。
　　 通过热力学模型、动力学模型的分析及催化剂再生循环机理分析,本文可以得到以下主要的结论:
　　 1.通过模型对煤／生物质(质量比)这一参数进行了研究,所得结果显示:在1／4的条件下得到氢气的浓度最高,所以将煤／生物质(质量比)取为1／4；
　　 2.热力学模型中,850℃以前燃气成分上升较快,当温度达到850℃后,上升变的缓慢,而提供高的温度会提高成本,所以考虑工艺整体的经济性,将温度选在800～850℃较为合理；
　　 3.CaO催化剂引入试验后,使得产氢率有所提高,是生物质气化获得富氢燃气的较好途径,是生物质催化气化发展的一个方向。并且随着Ca／C的增加,氢气的浓度逐渐增加。模拟结果中当Ca／C超过0.5以后,CO的量显示为负值,所以本模型对于Ca／C比的预测有一定的限制,这里就选取Ca／C为0.5；
　　 4.当H2O／C比达到1.8以后,氢气的摩尔含量上升变的很缓慢,且随着H2O／C比的增加氢气的浓度是逐渐递减的,所以H2O／C比取1.8;
　　 5.高温有利于焦炭的燃烧,温度越高,燃烧初期焦炭的燃烧速率越大,并且下降的速度也比较快。整个燃烧过程持续的时间很短,燃烧开始后瞬间降低。由于温度越高,焦炭燃烧速率变化越快,有利于瞬间释放出气化阶段所需能量,但是创造高温是需要成本的,故综合前面模型的结果和成本考虑,温度定在1100K左右为宜；
　　 6.采用“温和”的煅烧条件。选择较温和的煅烧条件得到高活性的吸收剂对于整个过程的目的及效率都是比较合适的；
　　 7.水合处理改善催化剂的活性,将水合处理应用到再生循环的工艺中是很有价值的。本工艺主要采用水蒸气作为气化剂,所以可以发挥一定的水合处理的作用,也是本工艺应用CaO作为催化剂的优势之一；
　　 8.利用纳米级的催化剂改变催化剂的形态有利于改变催化剂的能力。

目录

文摘

英文文摘

符号表

第一章 绪论

1.1 生物质和生物质能

1.2 生物质能源利用途径

1.3 生物质气化

1.3.1 生物质气化基本原理

1.3.2 生物质气化各种气化炉

1.4 生物质催化气化制氢研究现状

1.4.1 国内外催化剂研究进展

1.4.2 国内外的生物质催化气化制氢工艺现状

1.5 新型生物质与煤共气化催化制氢系统

1.6 本文研究内容及意义

1.7 本章小结

第二章 生物质与煤共气化催化制氢系统热力学建模

2.1 热力学平衡模型描述

2.1.1 燃烧模型

2.1.2 气化模型

2.2 操作参数对产气中各气体组成的影响规律

2.2.1 与实验数据的对比校核

2.2.2 生物质/煤(质量比)的影响

2.2.3 温度的影响

2.2.4 Ca/C比的影响

2.2.5 H2O/C比的影响

2.3 本章小结

第三章 生物质与煤共气化催化制氢系统动力学建模

3.1 生物质与煤共气化催化制氢系统物理过程描述

3.2 生物质催化气化制氢系统数学模型的建立

3.2.1 生物质热解子模型

3.2.2 生物质焦炭气化子模型

3.2.3 气体均相反应子模型

3.2.4 CaO碳酸化子模型

3.2.5 煤挥发分析出子模型

3.2.6 煤焦燃烧子模型

3.2.7 碳酸钙煅烧子模型

3.2.8 热量平衡校核

3.3 程序设计和综合数学模型

3.3.1 程序设计和计算

3.3.2 综合数学模型

3.4 模型的验证

3.5 操作参数对气化炉性能的影响规律

3.4.1 温度的影响

3.4.2 H2O/C比的影响

3.4.3 燃烧阶段煤焦炭燃烧速率受温度的影响

3.6 本章小结

第四章 催化剂氧化钙再生循环机理初步探索

4.1 利用催化剂提高产气中H2含量的基础理论

4.1.1 催化剂的应用方式及特性

4.1.2 催化剂CaO的催化原理及研究现状

4.2 在工艺操作中催化剂存在的主要问题

4.2.1 CaO吸收CO2在热力学平衡方面的应用

4.2.2 焦油导致CaO的失活

4.2.3 CaO颗粒的烧结

4.2.4 CaO与CaCO3之间的不完全转化

4.2.5 多次循环利用CaO反应活性的降低

4.3 生物质与煤共气化催化制氢工艺中催化剂的机理分析

4.3.1 催化过程

4.3.2 工艺中催化剂最佳的操作条件

4.3.3 工艺中提高催化剂反应能力的方法

4.4 本章小结

第五章 全文总结及工作展望

5.1 主要研究内容及结论

5.2 主要创新点

5.3 进一步工作建议

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文和参加的学术会议