木屑和木屑炭二氧化碳气化研究

摘要

生物质CO2气化是一项极具开发潜力的技术，该技术为新能源的开发和环境的保护提供了有效途径。本论文主要对木屑和木屑炭的CO2气化进行了研究，利用气化管式炉和热重分析仪进行了实验，通过分析产物产量，产物组分和热重曲线等得出了相关结论，为生物质CO2气化的进一步研究提供了一定的理论基础。主要研究内容和成果归纳如下: 1.木屑CO2气化行为研究 1)根据管式炉反应和热重分析实验结果得出，提高反应温度，有利于促进木屑CO2气化反应，提高气体产量，提高反应速率和合成气中CO、H2含量，减少液体和固体产量，减少合成气中CO2含量和焦油组分。分析木屑焦炭动力学得出，其动力学符合混合反应模型，指前因子为2.99×106 min-1，活化能为161.63 kJ/mol。对比两种热重TG曲线发现，850℃时，提前通入CO2不利于反应进行，900、950和1000℃时，提前通入CO2有利于使反应提前完成。 2)通过管式炉反应结果得出，催化剂CaCO3和K2CO3促进木屑CO2气化反应进行，使气体产量和液体产量增加，而使固体产量减少，有利于增加合成气中的CO和H2含量，减少CO2含量，从而使合成气热值增加，K2CO3的这种促进作用较明显，CaCO3的不太明显。根据焦油组分分析得出，CaCO3有利于促进焦油裂解，减少焦油中主要组分的相对含量，而K2CO3反而使焦油组分增加。根据SEM分析结果得出，CaCO3在木屑焦炭表面分解并形成活性中心，而K2CO3会破坏木屑焦炭结构，渗入到内部进行催化，其催化机理不同。 3)通过热重分析方法对木屑CO2气化进行了研究，结果表明:CaCO3在N2气氛下可以进行分解，然后对木屑CO2气化起到促进作用，而CaCO3在浓度较大的CO2气氛下很难分解，从而影响到了其催化作用，通过实验分析得出CaCO3的催化机理是由于CaCO3分解产生CaO对反应产生催化作用。 2.木屑炭CO2气化行为研究 1)通过CO2流量的分析得出，随着CO2流量的增加，固体产物减少，气体产物增加，而气体组分中CO2明显增加，CO出现先增加后减少的趋势，H2含量减少。此外，根据热值和气体组分分析，CO2流量为40 mL/min时较为适宜。 2)采用热重分析仪和管式炉进行实验得出，提高反应温度，有利于提高木屑炭的反应速率，减少固体产量，增加气体产量，而合成气中CO含量显著增加，CO2含量明显减少，H2含量略有增加，其他气体变化不大。根据结果综合分析，950℃是较为合理的反应温度。 3)添加CaCO3和K2CO3催化剂有利于提高木屑炭CO2反应速率，木屑炭转化率和合成气量，根据气体组分分析，两种催化剂使合成气中CO含量提高，CO2含量降低，其他组分变化不大，通过热值分析得出，两种催化剂均有利于提高合成气热值。K2CO3的催化作用明显优于CaCO3的催化作用。 4)本论文对木屑、木屑+10％ CaCO3和木屑+10％ K2CO3这3种原料的动力学进行了分析，均符合混合反应模型。三种样品的活化能分别为94.509、81.740、50.271 kJ/mol，指前因子分别为1208.428、428.825、19.965 min-1。因此得出，CaCO3和K2CO3催化剂均有利于降低木屑炭CO2气化的活化能，促进反应进行，而K2CO3的作用更明显。 5)本论文还对木屑炭CO2加压气化进行了研究，加压热重实验结果分析得出，小范围内提高压力有利于提高木屑炭的反应速率和转化率，而当压力超过0.2 MPa时，加压反而对木屑炭的反应起到抑制作用。通过管式炉对木屑炭的加压CO2气化也进行了研究，结果显示，加压对固体产物和气体产物没有显著影响，而对合成气组分有影响。反应压力提高，合成气中H2和CO2含量增加，CO、CH4和C2H4含量略有减少。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景

1．3 反应机理

1．3．1 木屑CO2气化

1．3．2 木屑炭CO2气化

1．4 国内外生物质CO2气化研究状况

1．4．1 温度对生物质CO2气化的影响

1．4．2 压力对生物质CO2气化的影响

1．4．3 催化剂对生物质CO2气化的影响

1．4．4 CO对生物质CO2气化的影响

1．4．5 生物质CO2气化动力学的研究

1．5 主要研究内容、研究目标和技术路线

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 研究目标

1．5．3 技术路线

1．6 木屑／木屑炭气化合成气评价指标

1．7 论文创新点

第二章 木屑CO2气化研究

2．1 实验原料、装置和方法

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验装置

2．1．3 实验方法

2．2 数据处理

2．2．1 木屑焦炭转化率公式

2．2．2 反应动力学公式

2．3 温度对木屑CO2气化的影响

2．3．1 气、液、固产量分析

2．3．2 气体组分分析

2．3．3 焦油组分分析

2．3．4 木屑焦炭CO2气化反应动力学分析

2．3．5 木屑CO2气化热重分析实验

2．4 催化剂对气化的影响

2．4．1 气、固、液产量分析

2．4．2 气体组分分析

2．4．3 焦油组分分析

2．4．4 固体产物扫描电子显微镜(SEM)分析

2．4．5 木屑CO2催化气化热重分析

2．5 本章小结

第三章 木屑炭CO2常压气化研究

3．1 引言

3．2 实验原料、装置和方法

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验装置

3．2．3 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 CO2气体流量对气化过程的影响

3．3．2 温度对木屑炭CO2气化过程的影响

3．3．3 催化剂对木屑炭CO2气化过程的影响

3．3．4 木屑炭CO2气化动力学分析

3．4 本章小结

第四章 木屑炭CO2加压气化研究

4．1 木屑炭CO2加压气化热重分析实验

4．1．1 实验装置

4．1．2 实验方法

4．1．3 实验结果与讨论

4．2 木屑炭CO2加压气化管式炉实验

4．2．1 固体和气体产量分析

4．2．2 气体成分分析

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

在读期间学术研究

致谢