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《山东大学》 2013年
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中药渣类生物质热解气化及焦油氧化重整过程研究

郭飞强  
【摘要】:中药渣是中药制备过程中所产生的废弃物,是一种典型的工业生物质,具有产量大、排放集中等典型特点,适于规模化、集中化的开发利用,初始含水率一般在70%以上,且易变质腐烂对环境造成污染,目前尚没有有效的处理利用方式。采用气化技术可以将中药渣规模化转化为清洁燃气,既能够实现药渣的处理转化,同时生产的绿色能源对于降低温室气体排放具有重要意义。本文以中药渣为原料,重点研究中试规模气化过程参数特性,求解物质和能量守恒过程,并耦合流化床与焦油氧化重整技术,提出新型两段式低焦油热解气化结构模型,采用CFD数学模型对流化气化和焦油裂解转化过程进行模拟,为中药渣低焦油热解气化技术提供技术理论支撑。 首先针对煎煮后的中药渣,对其化学组成进行分析,并进行高温热解特性试验,求取物质生成规律,解析半焦与焦油的物质构成。研究发现高温环境有利于燃气的生成,焦油则在500℃左右生成率最高,进一步提高温度会造成焦油产率的降低,半焦产率则随温度升高而不断降低。中药渣热解产生的半焦粒径主要集中在1.5-3.5mm之间,且粒径随温度升高而逐渐降低,其组成成分主要由挥发份、固定碳和灰分构成,其中灰分包含具有催化作用的金属氧化物,半焦颗粒呈现多孔结构,因而焦油具有吸附和催化的作用。焦油主要由环状有机化合物构成,其中含量最多的是萘、苯和苯酚,其中酚类和苯类单环衍生物有机物在高温环境下易于断裂转化,随温度升高质量分数逐渐降低。 深入研究了中药渣流化气化特性,归纳气化产物随当量比(ER)、原料湿度、蒸气进给量(S/B)的变化规律,并对物质和能量平衡进行了研究分析。研究发现气化反应过程受ER的影响较大,ER直接决定反应器内的温度,当ER小于0.26时,气化效率随ER增加而不断增加,当ER大于0.26后,燃烧反应增强会降低CO和H2的产率,并使大量N2进入,从而使气化效率下降。药渣的湿度大于20%后,水蒸气的挥发会迅速降低炉内反应温度,进而导致燃气的整体品质下降,气化效率也随之下降。水蒸气供给对于改良炉内的反应过程具有一定作用,尤其是可以促进H2的生成,但会导致CO体积浓度的降低,但碳转化率始终处于较高的水平。 基于欧拉-拉格朗日模型,构建了生物质流化床气化CFD模拟方法,获取了颗粒流化运动和气化反应过程规律,并对模型进行了校核验证。结果发现CO和H2主要是挥发份气化反应的产物,浓度分布逐渐沿Y轴方向逐渐增加,CH4则受反应温度影响较为明显,在原料裂解反应区具有较高摩尔分数;焦油在原料入口处快速热解产生,并在气化炉入口偏上高温区域发生大量二次裂解反应,浓度迅速降低。调整当量比和水蒸气供给,模拟结果与实验值具有良好的一致性,证实CFD模型对于H2、CO、CH4和CO2及焦油的生成具有良好的预测作用。 基于流化床快速热解和焦油裂解重整转化,构建焦油氧化重整试验模型,并对重整反应器气化剂进给系统进行创新设计,以实现在较小气化剂进给的条件下焦油高效裂解,获取低焦油燃气。研究发现上下两层氧气进给的比率为2:1时,上层氧气大量供给实现焦油的高效燃烧,并与下层氧气结合,在下层喉口以下位置发生高效重整反应。氧气的进给量是影响系统反应过程的决定性因素,当ER值为0.25时,即可实现粗燃气中焦油的全部裂解转化。水蒸气同样对于焦油裂解和燃气重整反应具有重要影响,水蒸气的氛围可有效促进焦油与水蒸气的重整裂解,当ER=0.15时,S/B值达到0.2即可实现焦油的产率小于1.5%。 针对焦油氧化裂解和燃气重整过程,选取苯、萘和苯酚作为典型模化物,构建CFD数学模型,直观反映过程中的物质能量转化过程。结果显示采用双层喉口结构,结合双层氧气供给方式,当上下两层氧气进给量为2:1时,更利于焦油组分在两喉口之间的快速反应,萘和苯酚的裂解也更为充分。当ER达到0.15时,出口处萘的质量分数仅为5%左右,苯酚基本实现完全裂解转化,当ER达到0.2时,基本可以实现苯酚和萘的完全裂解转化。当向反应器内通入水蒸气时,可以促进焦油的水蒸气重整反应,但其对于焦油催化裂解的效果明显低于氧气当量比的调整,且会导致燃气中CO的摩尔分数下降。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TK6

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