【摘要】：生物質(zhì)能因其分布廣泛、儲量巨大、CO2近零排放及可再生等優(yōu)點(diǎn),具有取代傳統(tǒng)化石能源的潛力。對生物質(zhì)能的利用成為解決全球日益嚴(yán)重能源問題的有效途徑之一。生物質(zhì)氣化可充分發(fā)揮生物質(zhì)低灰分、低硫、低氮等優(yōu)勢,被認(rèn)為是最具前景的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化利用技術(shù)之一。生物質(zhì)氣化除了得到燃料氣等目標(biāo)產(chǎn)物之外,還不可避免的生成少量副產(chǎn)物,主要包括焦油、堿金屬化合物、顆粒物、NOx、含硫、含氯污染物等。其中焦油對生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的運(yùn)行造成嚴(yán)重影響,是限制生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題之一,開發(fā)高效廉價(jià)的焦油脫除技術(shù)迫在眉睫。傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化焦油處理方法主要是在氣化爐內(nèi)或氣化爐下游焦油生成后對其進(jìn)行脫除,本文提出加壓烘焙-氣化技術(shù),通過加壓烘焙預(yù)處理來減少氣化時(shí)焦油的生成,同時(shí)又可以提高生物質(zhì)燃料品質(zhì),從而提高氣化效率。對比了生物質(zhì)的常壓烘焙、氣壓烘焙和機(jī)械壓烘焙過程,然后對其烘焙半焦的熱解、氣化特性及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面做了較詳細(xì)研究。通過三套烘焙實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究了溫度(低溫200℃、中溫250℃和高溫300℃)對兩種典型生物質(zhì)(稻草和松木鋸末)常壓、氣壓和機(jī)械壓烘焙產(chǎn)物分布、C分布、O分布、半焦特性及能量損失等方面的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在相同的溫度下,氣壓烘焙的半焦產(chǎn)率較低,但對生物質(zhì)的提質(zhì)效果遠(yuǎn)強(qiáng)于其他兩種方法,原因可能是生物質(zhì)在氣壓烘焙時(shí)發(fā)生了液化和氣化反應(yīng),從而促進(jìn)了生物質(zhì)的熱分解及提質(zhì)效果。中溫氣壓烘焙是最佳的烘焙預(yù)處理方法,體現(xiàn)在：雖然兩種生物質(zhì)烘焙半焦的碳基收率僅為60%-65%,但其碳含量高達(dá)65%-68%,氧含量僅為25%-29%。生物質(zhì)原料的氧碳比和氫碳比分別由0.65-0.69和1.28-1.42減至0.27-0.33和0.92-1.00,高位發(fā)熱量由15.9-17.7 MJ/kg提升至24.7-26.2 MJ/kg,而能量損失僅為29%-30%,烘焙半焦燃料品質(zhì)與褐煤相當(dāng)。利用生物質(zhì)烘焙-快速熱解系統(tǒng)研究了稻草烘焙半焦的熱解特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)烘焙半焦600℃快速熱解的液體產(chǎn)率與半焦中揮發(fā)分含量正相關(guān)。常壓烘焙和氣壓烘焙預(yù)處理分別將稻草原樣中12%-70%和63%-83%的揮發(fā)分以液體和氣體的形式提前脫除,從而降低了后續(xù)半焦快速熱解過程的液體和氣體產(chǎn)率。與常壓烘焙相比,氣壓烘焙將更多的揮發(fā)分主要以生成水的方式提前脫除,使得氣壓烘焙半焦快速熱解時(shí)產(chǎn)生的焦油含水率更低。采用熱重分析儀研究了稻草原樣和三種中溫烘焙半焦的熱解特性,并利用分布式活化能方法計(jì)算得到半焦的動(dòng)力學(xué)參數(shù),得到稻草中溫常壓、中溫氣壓烘焙半焦和中溫機(jī)械壓烘焙半焦的熱解活化能范圍分別為169-249 kJ/mol、145-287 kJ/mol和152-395 kJ/mol,均高于稻草原樣熱解活化能143-181 kJ/mol。利用生物質(zhì)烘焙-CO2氣化系統(tǒng),研究了不同烘焙預(yù)處理方式對稻草CO2氣化特性的影響。結(jié)果表明三種烘焙預(yù)處理都能夠提高氣化的CO和H2產(chǎn)率,并降低焦油含量。烘焙半焦氣化的CO和H2產(chǎn)率與其固定碳含量正相關(guān),焦油含量與其揮發(fā)分含量正相關(guān)。因而,氣壓烘焙半焦氣化效率最高,焦油含量最低,主要原因是：①氣壓烘焙對生物質(zhì)的脫揮發(fā)分效果最佳；②氣壓烘焙半焦中能催化焦油裂解的K、Ca等礦物質(zhì)含量最高；③氣壓烘焙通過促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)把生物質(zhì)中的一部分揮發(fā)分轉(zhuǎn)化成固定碳。稻草中溫氣壓烘焙半焦900℃氣化的CO和H2產(chǎn)率分別是稻草原樣氣化的2.20倍和1.64倍,氣態(tài)產(chǎn)物中焦油含量減少了73%。在不考慮利用烘焙氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物的前提下,稻草中溫氣壓烘焙-CO2氣化系統(tǒng)中,雖然烘焙半焦產(chǎn)率僅為43%,但稻草原料基的CO和H2產(chǎn)率分別為754.2 Nml/g和80.0 Nml/g,只略低于稻草直接氣化。采用熱重分析儀研究了稻草原樣和常壓、氣壓、機(jī)械壓烘焙半焦的CO2氣化特性。結(jié)果表明,稻草原樣CO2氣化活化能為143.3 kJ/mol,常壓烘焙預(yù)處理對生物質(zhì)氣化活化能的影響較小,機(jī)械壓烘焙預(yù)處理得到的生物質(zhì)半焦的氣化活化能高于生物質(zhì)原樣,而氣壓烘焙預(yù)處理能夠降低生物質(zhì)半焦的氣化活化能。氣壓烘焙半焦中對生物質(zhì)氣化有催化作用的礦物質(zhì)含量較高是導(dǎo)致其活化能低于生物質(zhì)原樣的最重要原因。綜上所述,通過本文的研究發(fā)現(xiàn),250℃左右的氣壓烘焙不僅可以很好地抑制生物質(zhì)氣化過程焦油的產(chǎn)生,還可以提高氣體產(chǎn)率,改善氣化特性。因此,生物質(zhì)的加壓烘焙-氣化可能是一種有效的生物質(zhì)氣化途徑。
【圖文】：

前生物質(zhì)能的利用途徑主要包括熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)和生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。其中，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化逡逑技術(shù)比生物轉(zhuǎn)化技術(shù)對成分復(fù)雜的生物質(zhì)原料更具有普適性［４，邐常用的生物質(zhì)熱化逡逑學(xué)轉(zhuǎn)化途徑如圖１－１所示。逡逑轉(zhuǎn)化方法邐初級產(chǎn)品邐轉(zhuǎn)化裝置邐最終產(chǎn)品逡逑Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邋Ｉ邐Ｉ邋＾邐ｉ邐Ｉ邋—逡逑焦邐一？儲存邐？焦炭逡逑m躉�，＠@藉義香綻叄�？热量Ν■埼锅炉辶x希常у危у巍觥，

本文編號：2707286