【摘要】：能源危機(jī)和環(huán)境污染推動(dòng)清潔與可再生能源的發(fā)展,生物質(zhì)能源作為唯一可被轉(zhuǎn)化為固、液、氣三種不同形式傳統(tǒng)能源的可再生能源受到了廣泛的關(guān)注。生物天然氣具有處理工藝簡單,產(chǎn)品附加值較高,末端應(yīng)用市場成熟,運(yùn)輸管路等基礎(chǔ)設(shè)施完善等優(yōu)勢,引起了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的生化轉(zhuǎn)化發(fā)酵制備沼氣的轉(zhuǎn)化效率低,而熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物氣體凈化脫焦除塵等流程復(fù)雜,成本高,這些缺點(diǎn)都限制了生物質(zhì)天然氣的推廣使用�；诖�,本研究提出了生物質(zhì)氣化及合成氣耦合甲烷化工藝路線,并通過熱動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)開展了相關(guān)研究,旨在提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率,降低工藝成本,為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)氣體全組分轉(zhuǎn)化為甲烷提供理論依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ)。首先,通過Aspen Plus軟件對(duì)瑞典中部大學(xué)生物質(zhì)雙床流化床水蒸氣氣化工藝進(jìn)行了模擬研究。選用產(chǎn)率反應(yīng)器和吉布斯反應(yīng)器對(duì)生物質(zhì)水蒸氣氣化過程進(jìn)行建模。研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)合成氣的產(chǎn)量隨著反應(yīng)溫度的升高而增加,其中的氫氣含量隨著溫度升高先增加后減少,在850℃時(shí)達(dá)到最大值為42%。隨著反應(yīng)體系中水蒸氣和生物質(zhì)比例的升高,焦油和水蒸氣發(fā)生重整反應(yīng),導(dǎo)致生物炭和焦油的產(chǎn)量降低,氫氣含量隨著水蒸氣和生物質(zhì)比例的升高而增加。生物質(zhì)原料的含水量增加對(duì)生物質(zhì)合成氣組分的變化趨勢與提高水蒸氣比例的結(jié)果相似。隨著反應(yīng)停留時(shí)間的增加,生物質(zhì)氣化的產(chǎn)物分解得相對(duì)更徹底,焦油分解為小分子氣體,從而導(dǎo)致氣體產(chǎn)量上升,焦油產(chǎn)量降低。其次,通過Aspen Plus軟件對(duì)生物質(zhì)合成氣催化甲烷化和生化甲烷化耦合制備生物天然氣的工藝進(jìn)行了模擬研究。該模擬選用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器對(duì)生物質(zhì)合成氣耦合甲烷化過程進(jìn)行了技術(shù)可行性的分析。該模擬簡化了催化甲烷化和生化甲烷化的模擬過程,通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)定義氣體的轉(zhuǎn)化率和優(yōu)先級(jí)。催化甲烷化過程中一氧化碳甲烷化基本完全轉(zhuǎn)化;二氧化碳部分轉(zhuǎn)化為生物天然氣,含量由12%降低至9.4%,甲烷的含量由9.2%增長至87.4%,氣體產(chǎn)物的品質(zhì)得到極大的提高。生化甲烷化過程中,由于微生物的新陳代謝不受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的影響,因此二氧化碳生化甲烷化的過程無反應(yīng)平衡的限制,反應(yīng)物中的二氧化碳完全轉(zhuǎn)化為甲烷,甲烷的含量由87.4%進(jìn)一步提升至97%。通過生化甲烷化過程,產(chǎn)物氣體的品質(zhì)進(jìn)一步提高,氣體成分已基本完全轉(zhuǎn)化為單一組分的甲烷,提高了后續(xù)使用的便利性。最后,采用浸漬法分別制備了Ni-Al_2O_3,Ni-ZSM-5和Ni-MCM-41三種催化劑,活性金屬鎳的負(fù)載量均為7%,在固定床反應(yīng)器上對(duì)三種催化劑應(yīng)用于二氧化碳甲烷化的催化特性進(jìn)行了研究,重點(diǎn)考察了不同反應(yīng)溫度下,不同催化劑對(duì)催化性能的影響。在反應(yīng)溫度為150-500℃,反應(yīng)空速為6000ml·g~(-1)·h~(-1)的條件下,三種催化劑的二氧化碳轉(zhuǎn)化率和甲烷選擇性和產(chǎn)率都隨著溫度的升高而呈現(xiàn)出先迅速增加后輕微降低的趨勢,其中催化劑Ni-MCM-41的整體催化性能略優(yōu)于催化劑Ni-ZSM-5,在反應(yīng)溫度為450℃時(shí)催化性能達(dá)到最佳,催化劑Ni-MCM-41的二氧化碳轉(zhuǎn)化率達(dá)73%,選擇性為97%。而催化劑Ni-Al_2O_3的整體催化性能較差,二氧化碳轉(zhuǎn)化率和甲烷的選擇性和產(chǎn)率都較低。三種催化劑應(yīng)用于二氧化碳甲烷化的催化性能排序?yàn)镹i-MCM-41Ni-ZSM-5Ni-Al_2O_3。通過氮?dú)馕矫摳奖碚靼l(fā)現(xiàn)催化劑Ni-MCM-41的比表面積最大,為孔徑分布較為集中的單一的介孔結(jié)構(gòu),能夠有效提高催化劑活性金屬的分散程度,從而提高催化性能。
【圖文】：

圖 1-1 全球一次能源消費(fèi)量（單位：百萬噸油當(dāng)量）傳統(tǒng)的化石能源不僅不可再生，而且儲(chǔ)量有限，粗放式的大規(guī)模使用同時(shí)造成的環(huán)境污染和生態(tài)失衡�；剂系娜紵�，提煉等使用過程釋放大量二氧化碳，化硫，氮氧化物和大量PM10，PM2.5顆粒物，導(dǎo)致全球變暖，酸雨，霧霾天氣，極端氣候頻發(fā)等一系列問題�！�2017中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，2017年全國

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文術(shù)是把固體狀態(tài)的生物質(zhì)經(jīng)過一系列化學(xué)加工過程，使其轉(zhuǎn)化成液體燃料，但液體料成分復(fù)雜，含水量高，提純分離成本較高。而通過用植物油（或動(dòng)物油）與甲醇或醇在酸性、堿性或生物酶等催化劑作用下進(jìn)行之交換反應(yīng)，制備生物柴油則面臨著食安全，，土地安全等一系列問題。通過淀粉類與糖類生物質(zhì)發(fā)酵制備生物乙醇已經(jīng)當(dāng)成熟，但也面臨著相同的問題。沼氣技術(shù)通過微生物的新陳代謝分解生物質(zhì)中的機(jī)物質(zhì)，獲得甲烷含量為 50-70%的沼氣。其工藝簡單，技術(shù)成熟，但生產(chǎn)周期長，量轉(zhuǎn)化效率低。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ426;TK6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2606519