生物质低温气化实验研究

论文总字数：29557字

摘 要

生物质气化是一项非常有发展前景的技术，因为生物质储量丰富可再生，污染低，并且可以进行传统的发热、发电，也可以进行化学合成得到其他我们所需要的物品，诸如燃料等。

本文以流化床气化炉为反应器，以麦秸为原料，水蒸气为气化介质，使用负载型K基催化剂，进行麦秸半焦的制备和气化实验。在实验中采用响应面法，建立了热解温度、K₂CO₃负载浓度和床料中K/Al含量对碳转化率、氢气产率和反应速率的影响的等高线和响应曲面，对实验结果进行分析和优化。实验结果表明，热解温度、K₂CO₃负载浓度和床料中K/Al含量对碳转化率X_C、氢气产率R_H2和反应速率Y_C具有显著影响。应用Design Expert软件进行优化，得到的最佳实验条件为：热解温度633℃，K₂CO₃负载浓度21.7%，床料中K/Al含量74.1%，此时的实验结果为碳转化率95.1%，氢气产率182.5mol/kg char，反应速率1.55%/mol。此实验结果和软件推测结果相符。

对于生物质水蒸气气化的焦油问题，以1-甲基萘为焦油模化物，采用加入不同助剂如Li、Fe或Mg的Ni催化剂并以Al₂O₃作为催化剂载体，研究了不同的催化条件对焦油模化物催化气化的影响，并解释了实验的相关现象。实验结果表明，Ni-Li/Al的催化效果最好，气化转化温度为850℃下可使碳转化率达到84.5%，氢气产率达到152.6mol/kg tar。

关键词：催化气化；流化床；响应面；生物质半焦；焦油

Experimental study on catalytic gasification of biomass

Abstract

Biomass gasification of is a very promising technology, because biomass is abundant, renewable and low pollution, and it can be used for the conventional heating, power generation, and chemical products, such as fuel and so on.

In this paper, the gasification experiments of wheat straw chars, steam as the gasification medium with K-supported catalysts are carried out in a fluidized bed reactor. Using the Response Surface Methodology in the experiments, the contour and response surface are established about pyrolysis temperature, K₂CO₃ load concentration and K/Al content in the bed material influence on carbon conversion efficiency X_C, hydrogen yield R_H2, reaction rate Y_C. And we analyze and optimize the results of experiments. During the experiments, pyrolysis temperature, K₂CO₃ load concentration and K/Al content in the bed material have a significant influence on carbon conversion efficiency X_C, hydrogen yield R_H2, reaction rate Y_C. With the optimization by the software Design Expert, the optimum condition 633^oC of pyrolysis temperature, 21.7% of K₂CO₃ load concentration and 74.1% of K/Al content in the bed material is observed, under this condition, the results show that X_C=95.1%, R_H2=182.5mol·(kg^-1char), Y_C=1.55%·min^-1, which is in good agreement with the predicted results by software.

For the tar problem of biomass steam gasification, using 1-methylnaphthalene as tar model compound, with Ni-supported catalysts adding the different promoters such as Li, Fe or Mg, investigations into the influence of catalytic conditions on the catalytic gasification are made, and relevant phenomena are explained. The results show that the catalytic effect of Ni-Li/Al is the best, under 850^oC of reaction temperature, carbon conversion ratio reaches 84.5%, and hydrogen yield reaches 152.6mol·(kg^-1tar).

Key words: Catalytic gasification; Fluidized bed; Response surface; Biomass char; Tar

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ……………………………………………………………………………………… Ⅱ

第一章 绪论 ………………………………………………………………………………… 1

1.1 引言 ………………………………………………………………………………… 1

1.2 生物质气化及其过程 ……………………………………………………………… 1

1.3 催化剂种类 ………………………………………………………………………… 2

1.3.1 天然矿石类催化剂 ………………………………………………………… 2

1.3.2 碱金属类催化剂 …………………………………………………………… 3

1.3.3 过渡金属类催化剂 ………………………………………………………… 3

1.3.4 复合催化剂 ………………………………………………………………… 3

1.4 生物质气化常用设备 ………………………………………………………………3

1.4.1 固定床气化炉 ……………………………………………………………… 4

1.4.2 流化床气化炉 ……………………………………………………………… 5

1.4.3 固定床气化炉和流化床气化炉的适用范围 ……………………………… 6

1.4.4 固定床气化炉和流化床气化炉性能比较 ………………………………… 6

1.5 发展现状与前景展望 ………………………………………………………………6

1.6 本文的研究目的和主要内容 ………………………………………………………6

1.7 本章小结 ……………………………………………………………………………7

第二章 生物质半焦催化气化实验 ………………………………………………………… 8

2.1 响应面法简介 ………………………………………………………………………8

2.2 实验材料 ……………………………………………………………………………8

2.3 催化剂制备 …………………………………………………………………………9

2.4 热解实验系统 ………………………………………………………………………9

2.5 半焦气化实验系统 ……………………………………………………………… 10

2.6 实验设计 ………………………………………………………………………… 10

2.7 数据处理 ………………………………………………………………………… 10

2.8 半焦气化过程中的主要反应 …………………………………………………… 11

2.9 半焦气化实验结果与讨论 ……………………………………………………… 11

2.9.1 方差分析 ……………………………………………………………………11

2.9.2 正态概率分布 ………………………………………………………………13

2.9.3 自变量对响应量的影响 ……………………………………………………14

2.9.3.1 热解温度和K₂CO₃负载浓度对响应量的影响 ……………………14

2.9.3.2 热解温度和床料中K/Al含量对响应量的影响 ……………………17

2.9.3.3 K₂CO₃负载浓度和床料中K/Al含量对响应量的影响 ……………19

2.9.4 RSM预测最优值 ………………………………………………………… 21

2.10 本章小结 …………………………………………………………………………22

第三章 生物质焦油模化物催化气化实验 …………………………………………………23

3.1 焦油问题简介 …………………………………………………………………… 23

3.2 催化剂制备 ……………………………………………………………………… 23

3.3 实验装置和实验步骤 …………………………………………………………… 23

3.4 焦油模化物催化气化结果及分析 ……………………………………………… 24

3.5 本章小结 ………………………………………………………………………… 28

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：29557字