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(xué)者對生物質(zhì)制氫技術(shù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了高溫蒸氣發(fā)生器的研制并進(jìn)行了高溫過熱蒸氣和高溫空氣的制備實(shí)驗(yàn)，對高溫蒸氣發(fā)生器進(jìn)行了熱效分析；

2、對高溫蒸氣發(fā)生器的運(yùn)行過程進(jìn)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(xué)特性。研究了序批式與連續(xù)式進(jìn)料模式下的生物質(zhì)高溫氣化、多孔陶瓷重整制氫實(shí)驗(yàn)研究，最后建立了生物質(zhì)高溫?zé)峤鈿饣詈夏Ｐ停瑢饣^程進(jìn)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(yùn)行過程，對爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計計算，設(shè)計并計算了保溫層的厚度，根據(jù)運(yùn)行特性，相應(yīng)地提出了運(yùn)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(jìn)行調(diào)試運(yùn)行以后，開展了高溫水蒸氣、高溫空氣制備的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究。開展了不同換向周期的高溫水蒸氣、高溫空氣制備實(shí)驗(yàn)，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(jìn)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(jìn)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(dá)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(yùn)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(jìn)行了驗(yàn)證，通過開展數(shù)值實(shí)驗(yàn)主要研究了不同換向周期，燃?xì)膺M(jìn)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(shí)驗(yàn)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?xì)膺M(jìn)口速度越大，釋放出的熱量就越多，但進(jìn)口速度過大將導(dǎo)致燃燒不充分，不利于發(fā)生器效率的提高：當(dāng)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(yù)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?dú)夂涂諝鈿夥諚l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(shí)驗(yàn)和大物料量物料水蒸氣氣化的等溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)，根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)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(xué)模型，進(jìn)行了生物質(zhì)熱解、燃燒以及氣化的動力學(xué)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(jìn)行了比較

7、分析。實(shí)驗(yàn)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(xué)參數(shù)差異明顯。
　　 (4)在自行設(shè)計的固定床氣化爐實(shí)驗(yàn)臺上開展了序批式進(jìn)料模式的生物質(zhì)高溫氣化實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)考察了反應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)料模式下的生物質(zhì)高溫水蒸氣、高溫空氣氣化重整實(shí)驗(yàn)，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(dāng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫反應(yīng)條件有利于氣化

9、反應(yīng)的進(jìn)行及H2的生成。以水蒸氣與氧氣聯(lián)合氣化中，最優(yōu)當(dāng)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(yīng)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