高溫過熱水蒸氣的制備及生物質(zhì)高溫氣化重整制氫特性研究.pdf

1、生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)是一項富有前景的制氫技術(shù)，目前還處于探索階段。雖然很多學者對生物質(zhì)制氫技術(shù)進行了較為深入的研究，但由于氣化手段的差異，以及氣化因素的影響所取得的效果也各不相同。這些研究大多集中于用低溫氣化介質(zhì)進行氣化，氣化產(chǎn)氣中H2含量較低，氣體中焦油含量較高。針對這個問題，開展了生物質(zhì)高溫水蒸氣氣化多孔陶瓷氣化重整制氫的研究。本文首先進行了高溫蒸氣發(fā)生器的研制并進行了高溫過熱蒸氣和高溫空氣的制備實驗，對高溫蒸氣發(fā)生器進行了熱效分析；

2、對高溫蒸氣發(fā)生器的運行過程進行了數(shù)值模擬。在非等溫與等溫加熱條件下研究了大物料量物料的氣化動力學特性。研究了序批式與連續(xù)式進料模式下的生物質(zhì)高溫氣化、多孔陶瓷重整制氫實驗研究，最后建立了生物質(zhì)高溫熱解氣化耦合模型，對氣化過程進行了數(shù)值模擬。主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)介紹了自制蓄熱式高溫帶壓蒸氣發(fā)生器的工作原理及運行過程，對爐體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計計算，設(shè)計并計算了保溫層的厚度，根據(jù)運行特性，相應地提出了運行控制方案和參數(shù)檢測方式

3、。在對高溫過熱蒸氣發(fā)生器進行調(diào)試運行以后，開展了高溫水蒸氣、高溫空氣制備的熱態(tài)實驗研究。開展了不同換向周期的高溫水蒸氣、高溫空氣制備實驗，考察了不同換向周期以及一個換向周期內(nèi)的高溫介質(zhì)的溫度變化情況，并對不同狀況下的尾氣余熱排放進行了探討。研究了不同工況條件下的溫度效率和熱回收效率情況。以水蒸氣為介質(zhì)時60s的換向周期條件下熱回收效率最大，而以空氣為介質(zhì)時30s為最佳換向周期。對系統(tǒng)熱平衡及熱效率進行了計算，通過對系統(tǒng)輸入能量和系統(tǒng)輸出

4、能量的分析，計算了系統(tǒng)熱效率，系統(tǒng)熱效率可達73.56％，熱收入與熱支出誤差為5.03％，測定結(jié)果正確。
　　 (2)通過數(shù)值模擬的方法研究了高溫過熱蒸氣發(fā)生器的運行特性，考察了燃燒半周期和水蒸氣余熱半周期的爐體換熱情況。對數(shù)值模型的有效性進行了驗證，通過開展數(shù)值實驗主要研究了不同換向周期，燃氣進口速度，空氣過量系數(shù)以及不同介質(zhì)(水蒸氣、空氣)的換熱特性。數(shù)值實驗結(jié)果表明：換向周期越長，尾氣帶走的熱量也就越多。換向周期過小，過大

5、都不是最佳的選擇。根據(jù)計算，60s的換向周期為最佳時間；燃氣進口速度越大，釋放出的熱量就越多，但進口速度過大將導致燃燒不充分，不利于發(fā)生器效率的提高：當量比為1.5時，在陶瓷體的0.2-0.35m這一部分，陶瓷體溫度處于較高水平，其后溫度較低。在蓄熱室中心線上的溫度分布上，以空氣為介質(zhì)的溫度分布低于以水蒸氣為介質(zhì)的溫度分布，水蒸氣和空氣的預熱曲線受二者物理性質(zhì)影響較大。
　　 (3)通過熱重差熱分析儀在氮氣和空氣氣氛條件下，考察

6、了不同工況條件(升溫速率、粒徑大小、載氣流速等)的生物質(zhì)微量物料熱解和燃燒特性；在自行設(shè)計的大物料熱重分析裝置上，開展了熱解、燃燒和水蒸氣氣化的熱重實驗和大物料量物料水蒸氣氣化的等溫熱重實驗，根據(jù)這些實驗獲得的TG和DTG曲線的變化趨勢，分析微量物料與大物料量物料兩種不同模式的熱失重行為，并在此基礎(chǔ)上建立了生物質(zhì)表觀動力學模型，進行了生物質(zhì)熱解、燃燒以及氣化的動力學參數(shù)求解。對相同工況條件下的微量物料與大物料量物料的熱失重過程進行了比較

7、分析。實驗結(jié)果表明：大物料量熱重過程和微量物料熱失重過程的動力學參數(shù)差異明顯。
　　 (4)在自行設(shè)計的固定床氣化爐實驗臺上開展了序批式進料模式的生物質(zhì)高溫氣化實驗研究，重點考察了反應溫度、水蒸氣流率以及物料粒徑等不同工況條件對生物質(zhì)氣化產(chǎn)氣特性的影響，實驗結(jié)果表明不同溫度條件下，每kg生物質(zhì)的氫產(chǎn)率從8000C的21.91g H2增加到950℃的71.63g H2。不同水蒸氣流率下CO平均濃度隨著蒸氣流率的增加略有增大，氣體平

8、均熱值在11.87-12.04kJ/m3范圍變化，水蒸氣流率為20.2g/min時的氫氣產(chǎn)率最大。隨著生物質(zhì)給料粒徑的減小，氣體產(chǎn)率和氣化效率均減小。
　　 (5)研究了連續(xù)進料模式下的生物質(zhì)高溫水蒸氣、高溫空氣氣化重整實驗，以多孔陶瓷為重整介質(zhì)，分別研究了氣化溫度、水蒸氣與物料之比( S/B)、當量率(ER)、重整室溫度以及有無多孔陶瓷重整對氣化產(chǎn)氣的影響，研究了多孔陶瓷重整的焦油去除特性。實驗結(jié)果表明，高溫反應條件有利于氣化

9、反應的進行及H2的生成。以水蒸氣與氧氣聯(lián)合氣化中，最優(yōu)當量率為0.05。隨著S/B的增大，H2濃度表現(xiàn)出增大的趨勢，2.05是比較理想的S/B值。在重整溫度為800℃時H2濃度最高。多孔陶瓷重整對焦油具有明顯的去除作用，焦油的TOC的轉(zhuǎn)化率為29.93-50.31％。以空氣為氣化劑時，隨著反應溫度的增加，氣化產(chǎn)氣中CO濃度增大并占有較大比例，而產(chǎn)氫率及氣體LHV隨溫度的增大而增大；隨著ER值的增大，CO濃度逐漸減小，而CO2濃度則逐漸增