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《华中科技大学》 2011年
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外热式生物质催化气化制氢的研究

冯宇  
【摘要】:随着化石能源的日益枯竭和自然环境的严重恶化,合理开发和利用新型可再生的洁净能源已成为当前紧迫的研究课题,尤其是低成本规模化氢能生产方法的研究对低碳经济社会的发展十分重要。据统计,每年光合作用产生的生物质能源的总量是全世界各国能源消耗总和的10倍左右。因此用来源广、成本低、可再生的生物质以生产氢能被认为是在各种制氢方法中最有前景的方法之一。本文依托国家留学基金委员会高水平公派出国留学项目,与德国Duisburg-Essen大学的Lehrstuhl fuer Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik (LUAT)实验室开展合作研究,并同时在Goerner教授的指导下,进行了外热式气化炉生物质气化制取富氢燃气的应用基础研究,主要研究内容及成果如下: 对生物质微米燃料制备技术基础研究。设计了一套生物质的破碎质量为每小时70kg的破碎系统。该破碎系统由原料破碎部分和微米燃料收集部分两部分组成。破碎部分由原料进料口、电机、破碎室和皮带传送装置构成;微米燃料收集部分由输料管、旋风除尘器、风机、布袋除尘器、出料口和尾气排放口构成。使用该系统以获得低成本制氢所需的高温外加热燃料。在试验中选取松木锯末为研究对象,进行了生物质微米燃料制备技术的基础研究,并对制备生物质微米燃料的能耗、微米燃料的颗粒分布等进行研究。 设计并制造了微米燃料外热式生物质裂解催化制氢的试验装置系统,该装置系统由微米燃料加热供料系统、气化原料密封给料系统、微米燃料加热-生物质裂解气化-催化重整制氢一体炉(加热-气化-催化一体炉)、气体净化系统、冷凝系统和气体收集测试系统组成。其主要特点是加热-气化-催化一体炉的微米燃料高温燃烧的热量能够同时对生物质裂解气化室和催化重整室进行加热,提高其热利用效率。 在试验中,以生物质微米燃料高温燃烧作为外热式生物质裂解和催化制氢的热源。通过对低成本外加热燃料高温燃烧技术的基础研究可知,风粉浓度对热解室和催化重整室中的温度有着很显著的影响。随着风粉浓度的增加,燃烧温度均呈现先有所增加,而后略有降低的趋势。微米燃料量和空气入炉量之间存在着一个最佳的比例。当风粉浓度低于或高于这个最佳比例时,温度呈现下降趋势。对于三种粒径的微米燃料,当风粉浓度为250g/m3时,均达到最高温度,此时,微米燃料的燃烧最为充分且燃烧效率最高。此外,将风粉浓度控制在190g/m3~250g/m3的范围内,即可达到气化试验所需温度条件。 在试验中,对造粒白云石的制备进行了探讨。当添加剂的质量百分比低于15%时,催化剂的机械强度并没有发生明显的改变,粉化现象依然较为明显。之后,在温度900℃,S/B(水蒸汽与生物质进料质量之比)为0.35的条件下,分别以添加剂添加质量百分比为15%,20%,25%和30%的这四种造粒白云石作为催化剂,进行气化试验。通过对机械强度和气体成分的分析,确定了添加剂的最佳质量百分比为20%。在添加剂的质量百分比为20%时,气体成分中主要产物H2的含量为58.27mol%。 研究了造粒白云石催化剂和负载型Nano-NiO/γ-Al2O3催化剂的催化特性。确定了微米燃料外热式生物质裂解催化制氢的试验装置系统最佳的工艺条件为温度900℃,S/B为0.35。在最佳的工艺条件下,可以获得最高的H2含量。在使用造粒白云石催化剂和负载型Nano-NiO/γ-Al2O3催化剂的情况下,随着温度的升高,气体产率明显增加,而焦油和灰渣的产率明显降低,尤其是在900℃的工况下,焦油被完全分解。随着温度的升高,气态产物中H2和CO的含量明显上升,CO2和CH4的含量明显下降,C2H4和C2H6的含量略有降低。随着S/B的升高,气态产物中H2和C02的含量明显上升,CO和CH4的含量明显下降,C2H4和C2H6的含量略有降低。使用造粒白云石作为催化剂时,产品气中的H2含量较之使用负载型Nano-NiO/γ-Al2O3催化剂略有降低,但也能够达到58.27mol%。 之后,对造粒白云石催化剂与负载型Nano-NiO/Al2O3催化剂的催化性能进行了比较。试验结果表明,两者就去除焦油和提高H2产率而言,负载型Nano-NiO/Al2O3催化剂的催化活性略优于造粒白云石催化剂。在松木微米燃料催化气化过程中,提高温度和提高S/B值有利于降低催化气化过程中焦油产率,提高H2产率。通过对这两种催化剂进行成本分析,其结果表明造粒白云石催化剂的成本仅为605元/吨,远低于负载型Nano-NiO/γ-Al2O3催化剂的成本105572元/吨,更适用于工业化生产之中。 并对气化过程进行了气化动力学拟合,其结果可以很好的描述碳转化率、氢气产率和S/B比之间的关系。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ116.2

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