生物质流化床气化机理与工业应用研究

中国科学技术大学博士学位论文生物质流化床气化机理与工业应用研究姓名：陈平申请学位级别：博士专业：工程热物理指导教师：陈勇;吴创之20060501生物质流化床气化机理与工业应用研究作者：陈平学位授予单位：中国科学技术大学相似文献(10条)1.会议论文朱华东.焦保才.段桂平.袭海涛生物质流化床气化炉的发展与应用2006连续气化的生物质流化床气化炉,以空气和水蒸气为气化剂,用生物质和煤为原料(煤的质量比0～20％),煤气热值为6～7MJ/m3.该炉在生产燃气的同时,还可副产水蒸气和生物质木炭,燃气可民用、工业用及发电用.间歇气化的生物质流化床水煤气炉,采用吹风和制气的二步工作法生产水煤气.水煤气的热值可达12～16MJ/m3,燃气可用于提氢和制备甲醇、二甲醚等.2.期刊论文周密.阎立峰.郭庆祥.朱清时生物质洁净能源研究中的流化床动力学模型-化学物理学报2003,16(5)分别对最小流化床、鼓泡流化床和腾涌流化床及相应的全混模型、鼓泡模型、气泡汇集模型等加以综述,分析其优缺点,并在此基础上提出动力学模拟研究的新思路.根据流化床内在的本质--流化态的不同,将流化床分为最小流化床、鼓泡流化床和腾涌流化床三种.总结了前人针对各种流化床提出的全混模型、鼓泡模型、气泡汇集模型等思想,建议今后可以在以下几个方面进行深入研究:⑴使得模型更有普适性.⑵由于气泡有效直径尚不能在理论上求得,可以在理想气泡直径变化公式的基础上,加入非线性化学的计算.⑶确定不同情况下的参数,使得工作更有延续性,也使得模型更加具有生命力.⑷从高压的角度去进行模型的计算,并得到相应的试验数据支持.3.会议论文吕鹏梅.王铁军.常杰.吴创之.陈勇生物质流化床空气-水蒸气气化模型研究本文根据流化床反应器特点,结合生物质气化动力学反应机理,建立了生物质在流化床内气化的等温稳态、一维两相动力学模型.该模型可以预测沿流化床高度的反应气体分布,模型所做的主要假定如下:流化床分为气泡相和乳相,在气泡相和乳相内均存在化学反应,考虑2相内的轴向气体扩散;生物质热解过程瞬时完成;主要考虑焦碳以及CO、CO2、H2、H2O、CH4等在流化床内发生的8个主要化学反应.数学模型属于常微分方程组边值问题,利用数值计算软件Matlab7.0进行编程求解.以木粉为原料,将模型结果和实验结果进行了对比,模拟结果与试验数据符合良好,在一定程度上证明了模型的有效性和可靠性.4.学位论文王雷基于循环载氧体的生物质串行流化床燃烧机理研究2009众所周知，CO2是引起温室效应的主要原因。化石燃料燃烧释放的CO2是大气中CO2增加的主要因素。为了保持能源的可持续性发展和减少温室气体的排放，生物质已经逐渐成为一种非常具有前景的清洁能源。生物质资源可以从森林、农业和工业生产中获得，由于生物质的CO2零排放特性，在发展中国家或发达国家都成为替代化石燃料的一种重要可再生能源。化学链燃烧是一种新型的CO2减排方法，在没有能量损失且不需要花费额外的气体分离装置的前提下将CO2分离出来。化学链燃烧系统包括两个反应器：燃料反应器和空气反应器，利用载氧体在两个反应器中循环过程，实现氧的转移，载氧体首先和空气接触进行氧化反应，生成氧化态载氧体，将空气中的氧置换出来，然后氧化态载氧体与燃料接触，进行还原反应，燃料的反应产物为CO2和H2O(汽)，冷凝后剔除H2O，得到纯净的CO2。本文以生物质作为固体燃料，进行了串行流化床生物质气化试验和生物质化学链燃烧试验，并运用AspenPlus软件搭建生物质化学链燃烧系统模型，对生物质化学链燃烧深入研究。串行流化床生物质气化方案中，将气化和燃烧分成两个过程。气化反应器采用鼓泡流化床，以水蒸气作为气化介质：燃烧反应器采用循环流化床，流化介质为空气。分析气化反应器温度T、水蒸气/生物质比率S/B对气化结果的影响。试验结果表明：该气化技术能够稳定连续地从气化反应器获得不含N2的高品质合成气。随着气化反应器温度的提高，合成气中H2/CO减小，合成气产率增加，热值降低，总碳转换率先升高而后保持不变。随着S/B的增大，合成气产率和总碳转换率均先升高而后降低，S/B的最佳值为1.4。在试验阶段获得的最高合成气产率为1.87Nm3/kg，合成气热值为13,20MJ/Nm3，总碳转化率为91％。串行流化床生物质化学链燃烧方案中，串行流化床系统是由循环床、鼓泡流化床和旋风分离器组成，其中循环床作为空气反应器，鼓泡流化床作为燃料反应器，循环床和鼓泡流化床之间通过返料管连接。串行流化床生物质化学链燃烧AspenPlus模拟中，发现CO2的捕集效率都在97％以上，且过高的燃料反应器温度、S/B、CO2再循环率都不利于提高CO2捕集效率。在串行流化床生物质化学链燃烧试验中，通过试验研究循环床和鼓泡流化床出口气体组成、CO2捕集效率和碳燃烧效率。在氧化镍作为载氧体的条件下，结果显示：生物质气化是控制燃料反应器出口中CO、CH4含量和碳燃烧效率的主要控制因素。温度越高，越利于生物质的气化，因此，在鼓泡流化床的温度为950℃时，鼓泡流化床出口气体中CO、CH4含量最少，碳燃烧效率最高，达剑98.6％。鼓泡流化床温度在770℃，CO2获得最大捕集效率，为84.9％。在此串行流化床系统中，部分碳损失是不可避免，它是由从燃料反应器窜混到空气反应器中的CO2气体和从燃料反应器随载氧体颗粒循环入空气反应器中的生物质半焦颗粒组成，是CO2捕集效率降低的主要因素。以后的上作应该在改善燃料反应器结构上开展研究。5.期刊论文许玉.蒋剑春.应浩.戴伟娣.高一苇.吴欢.XUYu.JIANGJian-chun.YINGHao.DAIWei-di.GAOYi-wei.WUHuan3000kW生物质锥形流化床气化发电系统工程设计及应用-生物质化学工程2009,43(6)本文主要论述了自主研发的3000kW生物质锥形流化床气化发电机组工程,对气化发电系统的工艺过程、设备设计要点及系统运行情况分别进行了阐述.研究设计的气化发电系统工程运行结果表明锥形流化床气化炉操作弹性大,分布锥结构很好地改善了气体分布状况,最佳气化温度为710～740℃.系统运行数据表明:生物质耗量为1.77kg/kWh,每公斤稻壳产气为1.62Nm3,系统总效率为15%,发电机转化效率25%.6.期刊论文宁新宇.李诗媛.吕清刚.贠小银.矫维红.NINGXin-yu.LIShi-yuan.LUQing-gang.YUNXiao-yin.JIAOWei-hong秸秆类生物质与石煤在流化床中的混烧与黏结机理-中国电机工程学报2008,28(29)以玉米秸秆与石煤按不同比例组成的混合物为研究对象,在TG-DTG热分析仪上进行了燃烧特性分析,结果表明玉米秸秆有利于石煤的着火和锥刀之末燃烧,对石煤有一定的助燃作用;在小型鼓泡流化床实验装置上,以石英砂为床料、石煤灰为添加剂,进行了玉米千秆成型燃料流化床燃烧的床料黏结实验,结果表明:石煤灰能够在生物质流态化燃烧过程中有效地抑制流化床床料黏结现象的发生;通过对实验中形成的结团进行扫描电子显微镜X射线能谱(scanningelectronmicroscopy/Energy-dispersiveX-ray-SEM/EDX),对床料进行X射线荧光光谱(X-rayfluorescence,XRF)分析,结果表明石煤灰中的A1和Fe能够与生物质灰中的碱金属化合物以及低熔点共熔物发生化学反应生成高熔点物质,并且覆盖在生物质碳颗粒与石英颗粒表面形成隔绝层,从而阴止低熔点物质的生成与迁移.7.学位论文阚涛自制串联流化床系统中生物质制氢及双固定床中粗生物油制氢的基础研究2009能源是人类生存和社会经济可持续发展的重要物质基础。随着能源需求和环境保护的压力迅速增长，利用可再生的生物质能受到人们极大的关注。氢气是目前最理想的高热值清洁能源之一，生物质以其资源丰富、环境友好、可再生等优点而成为一种很有前途的氢源。生物质制氢尚处于研发阶段，提高氢气产率、降低制氢成本以及减少催化剂失活等是生物质制氢研发过程中尚需解决的关键问题。本论文针对上述生物质制氢仍存在的问题，提出一种以生物质为原料制取氢气的新方法以及一种以生物质快速热裂解油为原料制取氢气的新方法。本论文研究内容如下：br　　1.串联流化床装置系统中以生物质为原料制取氢气br　　实验室在以前相关工作的基础上，独立研制出用于生物质制氢的串联流化床装置系统。该系统主要由四部分组成，即上游生物质热裂解流化床系统，中间产物收集和分析系统，下游有机物蒸汽催化重整流化床系统以及尾气分析与净化系统。利用该系统进行生物质制氢的过程中，高温水蒸气作为整个反应系统的载气以及下游重整流化床的反应物。生物质首先进入热裂解流化床进行热裂解反应，生成的有机物蒸汽在不经过冷凝和保温的条件下直接进入重整流化床进行水蒸气重整反应和水煤气变换反应生成富氢气体。br　　实验研究了上游生物质裂解温度（Tp）和气相滞留时间（τ）对各种裂解产物（生物油，裂解气和生物质焦炭）的产率和的影响以及Tp对各种产物性质的影响，并研究了下游有机物蒸汽重整温度（Tr），水蒸气/有机物碳（S/C）摩尔比率对有机物蒸汽制氢性能的影响。结果表明，在Tp=430～630℃的温度范围内，生物油产率随温度的升高先升高后降低。裂解气产率随温度的升高而升高，生物质焦炭的趋势则与之相反。气相滞留时间对各种裂解产物产率的影响不显著。在Tp=480℃，τ=0.62s的生物质裂解条件下，可以得到最高的生物油产率（45.1％）。同时，在研究的范围内，尾端氢气产率随Tr和S/C的升高而增加。利用该串联流化床装置系统，氢气产率可达79.1gH2/kgdry-biomass，产物气的主要组成为H2（68.4％），CO2（25.8％），CO（7.2％），CH4（0.1％）等。通过生物质焦炭的气化，可进一步提高氢气产率。br　　2.双固定床系统中以生物质快速热裂解油为原料制取氢气br　　以粗生物油为原料进行高效产氢的过程在双固定系统中进行。双固定系统主要包括上游的生物油气化床和下游的催化重整床。实验室近期发明的电催化重整（ECR）制氢方法被应用于下游的NiCuZn-Al2O3催化剂重整床以提高氢产率。实验分别研究了粗生物油的单独气化过程和集成的气化-电催化重整过程中的整体产氢性能。结果表明，单独气化过程的产氢率很低（30％）；集成的气化一电催化重整过程中，在气化温度为800℃，生物油进量为14.4g/h，S/C为10.6，空速为7810h-1，重整温度为700℃以及电流为3.0A的条件下，氢气产率可达81.4％，生物油的碳转化率为87.6％。最终的产物气主要包括H2（～73vol％）和CO2（～26vol％），以及极少含量的CO和CH4（1vol％）。此外，通过XRD、XPS、TGA等表征手段对催化剂的结构性能以及在反应前后和有无电流的情况下的变化进行了初步分析。与生物油在催化剂上的直接水蒸气重整制氢相比，集成的气化-电催化重整制氢方法极大降低了催化剂的失活速率，并显著提高了氢产率。8.期刊论文沈伯雄.姚强.刘德昌流化床中煤和生物质混烧N2O和NOx排放规律研究-电站系统工程2002,18(2)采用煤和生物质混烧的方法来降低流化床燃烧煤中N2O和NOx的排放.实验结果表明,生物质在流化床底部迅速燃烧和热解,释放出大量的挥发分,挥发分燃烧消耗氧气,抑制了燃料氮转变成N2O和NOx;生物质快速燃烧和气化形成多孔性焦炭,有利于N2O和NOx的分解:随着生物质和煤的混合比例增加,N2O的削减率幅度减少,而NOx的削减率幅度基本不变.煤和生物质混烧可以有效降低N2O和NOx的排放.9.期刊论文姚冬林.金保升.肖刚.YAODong-lin.JINBao-sheng.XIAOGang生物质流化床燃烧/气化的烧结特性与机理综述-锅炉技术2009,40(4)流化床燃烧/气化是生物质高效规模化能源利用的主要方式之一,由于生物质在较低温度下燃烧/气化时就容易发生床料烧结,影响了系统安全稳定运行,阻碍了能源利用效率