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生物质合成气的组分调控技术及深度净化

孟凡彬  
【摘要】:生物质是一种清洁的可再生能源,合理利用可缓解当前常规能源短缺和环境污染带来的压力。在中意国际科技合作项目-“生物质富氧气化关键技术研究”(2009DFA61500)的资助下,从拓展生物质气化技术应用领域的角度出发,试制了鼓泡床冷模试验台,并在此基础上研制了处理量为50kg/h的流化床气化试验系统;试验研究了不同气化条件对气化效果的影响;根据影响因素与气化效果的对应关系,选择合适的气化工艺来调控气化气的组分分布;研制生物质气化净化装置,完善生物质气化净化技术,提出生物质气化深度净化工艺;最后,试验研究了机动车燃用生物质气化气的行驶与排放特性以及不同条件对生物质合成气合成甲醇的影响因素。 本文首先分析了生物质气化技术的应用现状。发现生物质气化集中供气和发电应用中氢气组分不宜过高,过高会引起爆燃现象;制氢要求燃气中尽可能多的产生氢气;合成液体燃料则要求燃气中H2和CO具有合适的化学当量比。因此,如何有效控制生物质气化气的组分组成是目前生物质气化技术面临的重大问题之一。另外,生物质气化气中含有焦油、硫化物、氮化物等杂质,在应用过程中造成各种各样的问题,优化生物质气化净化工艺,开发和研制新型、高效净化装置,有效去除燃气中的杂质,是生物质气化气走向市场的另一个关键技术。 鼓泡流化床气化系统设计与调试。由于流化床气化炉具有气固两相接触充分,传热传质强烈,床层温度均匀,易于放大等特性被认为是最具开发前景的生物质气化反应装置之一。为确定相关参数,试制了有机玻璃冷模试验装置,通过冷模试验确定不同粒径物料的最小流化速度和布风板阻力特性。在选定最大进料速率为50kg/h的前提下,根据相似准则数原则,设计了鼓泡流化床气化系统,通过冷态试验和热态调试的方式研究系统运行的可靠性和稳定性。试验结果表明:开孔率为1%的布风板具有合适的阻力特性,布风均匀;粒径为0.38mm石英砂的最小流化速度为0.21m/s,粒径为0.83mm木屑的最小流化速度为0.13m/s,石英砂和木屑混合物的最小流化速度为0.16m/s;热态试验结果表明:鼓泡流化床气化系统运行正常,产出气热值较高(6200-6500kJ/m3),可连续稳定运行3h以上。 为了掌握生物质气化影响因素,试验研究了反应温度、物料特性、气化介质、气化设备结构等对气化效果的影响。试验结果表明:当量比和反应温度是影响气化效果的主要因素。富氧气化是一种有效的生产中热值燃气的气化方式。加入水蒸气对气化效果的影响是正反两个方面的,一方面,有效提高的气化气中H2的含量;另一方面,水蒸气的加入致使床内温度下降较快,不利于气化反应的进行。不同物料特性和炉型结构对气化产出气组分分布有较大的影响。富氧-水蒸气气化是一种比较接近制取合成气的气化工艺。 根据不同影响因素对气化气组分分布的影响,提出了固定床高当量比生物质氧气气化制取中热值气化气和鼓泡流化床生物质氧气-水蒸气气化制取合成气试验研究。固定床生物质高当量比氧气气化试验表明:随着当量比从0.31增加到0.4,反应温度、碳转化率和气体产率均逐渐升高,而产出气热值逐渐降低,但保持在10MJ左右。通过提高当量比来提高反应温度的方法,可有效降低产出气中焦油的含量。反应温度达到1075℃时,是脱除焦油的一个重要温度参考点。流化床生物质氧气-水蒸气气化试验表明:用外部热源加热的方法提高反应温度,有效提高了H2和CO含量,H2/CO值变化较小。随着二次风比率的逐渐增加,H2和CO2含量逐渐升高,CO、CH4和CnHm含量逐渐降低,焦油含量从1210mg降低到38mg,脱焦效果明显。在试验范围内,当量比为0.34,S/B为1.7时,合成气中H2/CO达到最大值,为1.593。 由于生物质合成气对净化要求较高,重点考察了焦油热裂解、物理脱氮、催化脱氯和脱硫技术,并提出深度净化工艺。试验结果表明:随着裂解温度的升高,焦油裂解气中H2的含量明显增加,CH4、C2H6、C2H4等脂肪烃的含量逐渐降低,而CO和CO2的含量呈振幅较小、趋势大致相反的波形变化,焦油裂解产气率明显增加,在1000℃时可达79.03%。经过硅胶过滤器后,合成气中NH3和HCN的含量分别为0.32ppm和0.17ppm。以LG-02脱硫剂脱硫后,合成气中H2S和CS2含量均为0,COS含量为46ppb。在试验的基础上,设计了生物质合成气深度净化工艺,为生物质基气化合成气的制备提供了技术支持。 试验研究了机动车燃用生物质气化气的行驶与排放特性。结果表明:相同条件下,燃用生物质空气气化气行驶里程是富氧气化气的1/3,燃用生物质富氧气化气的行驶里程是天然气的1/3;其动力性、加速性能和最大速度与天然气有较大差距。燃料(气体成分)变化对机动车尾气中CO排放影响较小。过量空气系数λ对CO的排放量具有决定性作用。以生物质空气气化气作为发动机燃料时,HC排放量较低,以生物质富氧气化气作为发动机燃料时,HC排放量较高。使用生物质空气气化气和富氧气化气作为燃料时,NOx排放规律截然不同,说明燃料类型(组分变化)对NOx排放起决定性作用。使用两种不同组分生物质气化气作为车用燃料时,其尾气排放污染物量均远远低于汽油,是一种清洁、可再生的代用燃料。 对比研究了配气(纯H2和纯CO)和生物质合成气作为原料气制取甲醇的影响因素。结果表明:在试验范围内,配气和生物质合成气合成甲醇的最佳温度分别为250℃和255℃。在反应温度和空速不变的情况下,随着反应压力升高,甲醇的时空收率和CO转化率均逐渐升高,CO2转化率逐渐降低。配气和生物质合成气的最大甲醇时空收率分别82%和47%。在反应温度和压力不变的情况下,随着时空速率升高,甲醇的时空收率逐渐升高,CO转化率逐渐降低,CO2转化率和液相产物中甲醇的选择性变化不明显。


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