基于钙钛矿载氧体的生物质化学链气化实验

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摘 要

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摘 要

生物质化学链气化是当前最具有强发展价值的新型制气技术，本文研究基于钙钛矿的生物质化学链气化。这需要通式为 ABO₃的钙钛矿型复合载氧体，具有较强的氧化能力和储氧能力，且能把生物质不完全氧化。本文先设计了不同状况下制备LaFeO₃钙钛矿载氧体，之后对制备得到的LaFeO₃钙钛矿载氧体进行表征，得出了到制备温度为900℃时，化学计量数为1时，制备得钙钛矿相相对较好的LaFeO₃。本文设计了不同变量对载氧体性能以及载氧体与生物质的反应产生的影响。以LaFeO₃作为载氧体，开展生物质化学链气化实验研究，改变反应器温度、通水蒸气量 、载氧体添加比例对生物质气化特性的影响。实验表明，载氧体与生物质化学链气化产物的反应，在不同的参数下，钙钛矿载氧体的性能也不一样，基于钙钛矿生物质化学链气化的优化参数为850℃、通水蒸气量为0.5g/min,载氧体质量与生物质质量之比等于0.6。本文还对LaFeO₃钙钛矿载氧体与生物质化学链气化反应进行了模拟循环实验，还设计了Fe₂O₃ 和石英砂为对照实验。

关键词：钙钛矿；化学链气化；生物质

Abstract

Biomass chemical chain gasification is a new type of gas production technology with strong development value at present. This paper studies biomass chemical chain gasification based on perovskite. This requires perovskite-type composite oxygen carrier with the general formula ABO₃, which has strong oxidation capability and oxygen storage capability, and can oxidize biomass incompletely. In this paper, LaFeO₃ perovskite oxygen carriers prepared under different conditions are designed firstly, and then the prepared LaFeO₃ perovskite oxygen carriers are characterized. It is concluded that LaFeO₃ with relatively good perovskite phase is prepared when the preparation temperature is 900℃ and the stoichiometric number is 1. In this paper, the effects of different variables on the performance of oxygen carrier and the reaction between oxygen carrier and biomass are designed. Taking LaFeO₃ as the oxygen carrier, an experimental study on biomass chemical chain gasification was carried out. The effects of reactor temperature, steam flow rate and oxygen carrier addition ratio on biomass gasification characteristics were changed. Experiments show that the performance of perovskite oxygen carrier is different under different parameters for the reaction between oxygen carrier and biomass chemical chain gasification products. The optimal parameters based on perovskite biomass chemical chain gasification are 850℃, the amount of water vapor is 0.5g/min, and the ratio of oxygen carrier mass to biomass mass is equal to 0.6. In this paper, the simulated cycle experiment of LaFeO₃ perovskite oxygen carrier and biomass chemical chain gasification reaction was also carried out, and Fe₂O₃ and quartz sand were designed as control experiments.

Key words：Chemical chain gasification；biomass；perovskite

目 录

第一章 绪论 1

1.1生物质能利用现状 1

1.2传统生物质气化技术 1

1.3化学链气化技术 2

1.4一般载氧体优缺点 3

1.5钙钛矿型载氧体 5

第二章 铁基钙钛矿型载氧体的制备 7

2.1钙钛矿载氧体制备方法 7

2.2燃烧法 8

2.2.1化学计量系数φ的影响 9

2.2.2温度的影响 9

2.2.3LaFeO₃载氧体晶胞参数的计算 9

第三章 基于铁基钙钛矿型载氧体的生物质化学链气化实验 11

3.1实验原理 11

3.2实验装置 11

3.3实验步骤 12

3.4数据处理 12

3.4.1不同载氧体与生物质的质量比对基于钙钛矿载氧体生物质化学链气化的影响： 13

3.4.2水蒸气量不同对基于钙钛矿载氧体生物质化学链气化的影响： 15

3.4.3温度对基于钙钛矿载氧体生物质化学链气化的影响： 18

3.4.4不同物质对通入O₂ 后生成气体的对比 20

3.5 循环实验 20

第四章 结论 21

第五章 总结与展望 24

致 谢 25

参考文献 27

第一章 绪论

1.1生物质能利用现状

能源一直是人类生活发展的大前提，中国是个能源需求大的国家，我国是全球最大的能源生产国家，若能源供应跟不上经济发展，那将使国家的经济发展链出现断裂。我国的能源储存量大，但其分布不均，开发有一定的难度，导致部分地区面临着能源消耗与发展不平衡的问题。我国的能源资源中，煤炭是占能源结构的主导地位，现如今煤炭占全国能源消费的60%左右，我们面临着能源与发展之间的另一个问题即可持续发展的问题，以煤炭为主导的能源结构使我国的环境遭到了严重破坏，化石燃料对我国的生态和经济的可持续发展造成了很恶劣的影响。大气中二氧化碳的浓度自工业革命以来一直在不断上升，从工业化前的280 ppm上升到今天的375ppm。人类活动造成大量大气二氧化碳排放，增强了自然温室效应。自19世纪工业革命开始以来，化石燃料燃烧导致的二氧化碳浓度增加了约30 %^【1】。 (这些二氧化碳与其他温室气体一起，是导致全球气温持续上升，导致冰川融化，自然灾害增加的元凶。因此，减少温室气体，特别是我们需要重视减少二氧化碳的排放。这是可以通过提高能源转换和使用效率以及增加非化石能源的使用来实现。然而，化石燃料是全世界公认的主要能源^[2]，在很大的程度上都是不可能避免使用的，但是我们可以加大对非化石能源的利用技术的开发。因此，人们不得不寻找其他可再生能源来逐渐改变这个以化石能源为主的能源结构。生物质能是属于植物有机物，其在世界各处蕴藏量丰富，能源种类也很丰富。太阳能、潮汐能、风能、核能等诸多可再生能源，我国计划着可再生能源在未来能够占据我国能源产业的半壁江山。我国具有充足的生物质能资源，同时，它具有可以储存，对环境很友好，分布地区广阔等优点，若能在技术上提高其利用率，不但能节约化石能源资源，还能为生态发展做出贡献，于是，作为一种清洁的可再生能源，生物质能利用技术的开发被提上日程，各国都在积极开展对生物质能的利用技术的革新。在我国，能源资源特点鲜明，我国蕴藏诸多煤矿，但石油，天然气往往仍需通过进口方式进行补充，因此对我国可再生能源的利用方向上的技术革新成为了我国能源发展的重要方向。在我国有农村秸秆，城市落叶等，生物质能非常丰富；在世界，生物质能是第四大能源。生物质能是一种可再生的干净的能源，能源“取之不尽，用之不竭”，更重要的是，它能在很大程度上有效地控制“温室效应”^[3]，因为它的消耗和再生过程中二氧化碳的排放和吸收能够自我平衡。更何况生物质能的开发符合我国国情，在很大程度上能帮助我国走出贫油、少气的困境，让世界能源短缺的问题，不可再生能源的污染问题得以缓解^[4]。

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