中藥渣類生物質(zhì)熱解氣化及焦油氧化重整過程研究.pdf

1、中藥渣是中藥制備過程中所產(chǎn)生的廢棄物，是一種典型的工業(yè)生物質(zhì)，具有產(chǎn)量大、排放集中等典型特點，適于規(guī)模化、集中化的開發(fā)利用，初始含水率一般在70％以上，且易變質(zhì)腐爛對環(huán)境造成污染，目前尚沒有有效的處理利用方式。采用氣化技術(shù)可以將中藥渣規(guī)模化轉(zhuǎn)化為清潔燃?xì)?，既能夠?qū)崿F(xiàn)藥渣的處理轉(zhuǎn)化，同時生產(chǎn)的綠色能源對于降低溫室氣體排放具有重要意義。本文以中藥渣為原料，重點研究中試規(guī)模氣化過程參數(shù)特性，求解物質(zhì)和能量守恒過程，并耦合流化床與焦油氧化重整技

2、術(shù)，提出新型兩段式低焦油熱解氣化結(jié)構(gòu)模型，采用CFD數(shù)學(xué)模型對流化氣化和焦油裂解轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行模擬，為中藥渣低焦油熱解氣化技術(shù)提供技術(shù)理論支撐。
　　 首先針對煎煮后的中藥渣，對其化學(xué)組成進(jìn)行分析，并進(jìn)行高溫?zé)峤馓匦栽囼?，求取物質(zhì)生成規(guī)律，解析半焦與焦油的物質(zhì)構(gòu)成。研究發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境有利于燃?xì)獾纳?，焦油則在500℃左右生成率最高，進(jìn)一步提高溫度會造成焦油產(chǎn)率的降低，半焦產(chǎn)率則隨溫度升高而不斷降低。中藥渣熱解產(chǎn)生的半焦粒徑主要集中在

3、1.5-3.5 mm之間，且粒徑隨溫度升高而逐漸降低，其組成成分主要由揮發(fā)份、固定碳和灰分構(gòu)成，其中灰分包含具有催化作用的金屬氧化物，半焦顆粒呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，因而焦油具有吸附和催化的作用。焦油主要由環(huán)狀有機(jī)化合物構(gòu)成，其中含量最多的是萘、苯和苯酚，其中酚類和苯類單環(huán)衍生物有機(jī)物在高溫環(huán)境下易于斷裂轉(zhuǎn)化，隨溫度升高質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。
　　 深入研究了中藥渣流化氣化特性，歸納氣化產(chǎn)物隨當(dāng)量比(ER)、原料濕度、蒸氣進(jìn)給量(S/B)的變

4、化規(guī)律，并對物質(zhì)和能量平衡進(jìn)行了研究分析。研究發(fā)現(xiàn)氣化反應(yīng)過程受ER的影響較大，ER直接決定反應(yīng)器內(nèi)的溫度，當(dāng)ER小于0.26時，氣化效率隨ER增加而不斷增加，當(dāng)ER大于0.26后，燃燒反應(yīng)增強(qiáng)會降低CO和H2的產(chǎn)率，并使大量N2進(jìn)入，從而使氣化效率下降。藥渣的濕度大于20％后，水蒸氣的揮發(fā)會迅速降低爐內(nèi)反應(yīng)溫度，進(jìn)而導(dǎo)致燃?xì)獾恼w品質(zhì)下降，氣化效率也隨之下降。水蒸氣供給對于改良爐內(nèi)的反應(yīng)過程具有一定作用，尤其是可以促進(jìn)H2的生成，但會

5、導(dǎo)致CO體積濃度的降低，但碳轉(zhuǎn)化率始終處于較高的水平。
　　 基于歐拉-拉格朗日模型，構(gòu)建了生物質(zhì)流化床氣化CFD模擬方法，獲取了顆粒流化運(yùn)動和氣化反應(yīng)過程規(guī)律，并對模型進(jìn)行了校核驗證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CO和H2主要是揮發(fā)份氣化反應(yīng)的產(chǎn)物，濃度分布逐漸沿Y軸方向逐漸增加，CH4則受反應(yīng)溫度影響較為明顯，在原料裂解反應(yīng)區(qū)具有較高摩爾分?jǐn)?shù);焦油在原料入口處快速熱解產(chǎn)生，并在氣化爐入口偏上高溫區(qū)域發(fā)生大量二次裂解反應(yīng)，濃度迅速降低。調(diào)整當(dāng)量比

6、和水蒸氣供給，模擬結(jié)果與實驗值具有良好的一致性，證實CFD模型對于H2、 CO、CH4和CO2及焦油的生成具有良好的預(yù)測作用。
　　 基于流化床快速熱解和焦油裂解重整轉(zhuǎn)化，構(gòu)建焦油氧化重整試驗?zāi)Ｐ停χ卣磻?yīng)器氣化劑進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，以實現(xiàn)在較小氣化劑進(jìn)給的條件下焦油高效裂解，獲取低焦油燃?xì)狻Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)上下兩層氧氣進(jìn)給的比率為2∶1時，上層氧氣大量供給實現(xiàn)焦油的高效燃燒，并與下層氧氣結(jié)合，在下層喉口以下位置發(fā)生高效重整反應(yīng)。

7、氧氣的進(jìn)給量是影響系統(tǒng)反應(yīng)過程的決定性因素，當(dāng)ER值為0.25時，即可實現(xiàn)粗燃?xì)庵薪褂偷娜苛呀廪D(zhuǎn)化。水蒸氣同樣對于焦油裂解和燃?xì)庵卣磻?yīng)具有重要影響，水蒸氣的氛圍可有效促進(jìn)焦油與水蒸氣的重整裂解，當(dāng)ER=0.15時，S/B值達(dá)到0.2即可實現(xiàn)焦油的產(chǎn)率小于1.5％。
　　 針對焦油氧化裂解和燃?xì)庵卣^程，選取苯、萘和苯酚作為典型?；?，構(gòu)建CFD數(shù)學(xué)模型，直觀反映過程中的物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化過程。結(jié)果顯示采用雙層喉口結(jié)構(gòu)，結(jié)合雙層氧氣