發(fā)布時間：2020-05-14 06:59

【摘要】：生物質作為一種可再生能源已引起了廣泛的關注。生物質氣化技術是一種有效的能源利用方式,能夠將生物質中有機碳氫化合物轉化成非常有利用價值的氣體。但是,生物質氣化產(chǎn)氣中焦油含量高和氫氣含量低是目前生物質氣化技術發(fā)展面臨的主要問題。催化劑的使用和以水蒸氣作為氣化劑是降低氣化過程中焦油含量和氫氣含量的有效手段。在生物質氣化過程中橄欖石是一種常用、廉價和耐磨的礦物催化劑,而與其化學成分非常相似的銅渣即為銅冶煉過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣,其主要礦相為2FeO·SiO2、Fe3O4和Ca(Fe,Mg)(SiO3)2。 鑒于此,本課題提出了利用銅渣的催化性能來定向催化氣化生物質,并探討銅渣的催化反應機理。圍繞該思路,本論文主要展開下述工作： 首先,在熱重分析儀上,采用同一升溫速率(30k/min),以1000℃預煅燒5h銅渣為催化劑,在氧氣氣氛下,對生物質進行催化氣化實驗。在預煅燒銅渣/生物質(質量比)為0.5～2.5范圍內(nèi),考察銅渣的催化性能。實驗結果表明,在所研究的比例范圍內(nèi),生物質熱解階段和焦炭氣化階段的最大失重速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且在比例為2時都達到最大值。選用均相反應模型和縮核反應模型對轉化率與溫度的關系進行了擬合計算,得到了生物質在不同比例下的銅渣催化氣化條件下熱解階段和焦炭氣化階段的活化能和指前因子。由相關系數(shù)R可以看出,在熱解階段,反應機理更趨向于未反應縮核模型；在焦炭氣化階段,反應機理更趨向于均相反應模型。另外,銅渣與生物質混合催化氣化反應中存在動力學補償效應,最后給出了各比例下混合試樣的反應動力學方程。 其次,在熱重分析儀上,對預煅燒銅渣與生物質質量比為2的混合試樣進行了不同升溫速率(20k/min、30k/min、40k/min)的催化氣化實驗。結果表明,升溫速率是影響生物質氣化失重的重要原因。采用Popescu法對不同升溫速率下的生物質催化氣化反應進行動力學分析,得出三維擴散模型控制的Jander方程式是最概然機理函數(shù),該函數(shù)的微分形式為f(α)=(2/3)(1-α)2/3/[1-(1-α)1/3],積分形式為g(α)=[1-(1-α)1/3]2。最后,給出了熱解階段和焦炭氣化階段的活化能分別為51.38kJ/mol和16.45kJ/mol,且均比用均相反應模型和縮合反應模型求出的活化能要小,但Popescu法求得的結果更具有可信性。 再次,在自行搭建的生物質兩級催化氣化實驗臺上,以水蒸氣為氣化介質,考察工況參數(shù)以及銅渣預煅燒處理條件的改變對氣化特性的影響,探索銅渣的催化作用機理。研究發(fā)現(xiàn),提高上述參數(shù),產(chǎn)氣的氫氣含量和氣化效率均逐漸增大,在實驗研究的范圍內(nèi),生物質氣化產(chǎn)H2方面,隨銅渣煅燒溫度的升高,H2的含量幾乎成線性增長；在1000℃煅燒溫度下的銅渣催化作用下,所得的氫氣的含量、產(chǎn)氫率、產(chǎn)氣率和氣化效率均達到實驗研究最大值,其值分別為59.16%、0.72m3/kg、1.22m3/kg和77.56%。結合氣化實驗結果表明,預煅燒處理可明顯提高銅渣的催化活性,究其原因為高溫煅燒使Fe從銅渣的鐵橄欖石結構中脫出以Fe304和α-Fe203形式覆于顆粒表面,其中的鐵氧化物在生物質水蒸氣氣化過程中被產(chǎn)氣中的H2或CO等還原性氣體還原為充當活性中心的Fe。結合預煅燒銅渣的表征和氣化前后銅渣的XRD分析結果,可以推斷Fe對生物質水蒸氣氣化具有催化作用。 最后,結合在生物質兩級催化氣化實驗臺得到的氣化實驗結果,進行氣體產(chǎn)生的動力學分析。結果表明,在無銅渣催化劑的情況下,生物質氣化產(chǎn)生氣體所需的活化能較高；在添加銅渣催化劑時,生物質氣化產(chǎn)生氣體所需的活化能則減少。由此看出銅渣對氣化反應具有催化作用,可明顯降低氣化過程的活化能。給出了前人在不同條件下用不同物料實驗所得的氣體產(chǎn)生的動力學參數(shù),盡管很難用本實驗模擬的數(shù)據(jù)和他們的數(shù)據(jù)做一比較,但可以觀察出實驗確定的活化能均在前人研究的范圍之內(nèi)。 以上研究結果表明,用預煅燒銅渣定向催化氣化生物質不僅能制取富氫氣體,而且能提高氣化效率和碳轉化率。本論文的研究結果可作為生物質氣化裝置優(yōu)化的依據(jù)。
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TK6

【參考文獻】

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本文編號：2662992