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碱金属对生物质化学链气化过程影响的研究

【摘要】:我国经济的高速发展带来能源需求的日益增加以及由此引起的环境污染问题,生物质因其具有可再生、低污染等优点受到广泛关注和研究。作为我国产量最高的农作物加工剩余物,秸秆具有热值高、分布广泛和易于获取等优点。秸秆气化是其能源化利用的重要方式,国内外众多学者对此有大量研究,其中秸秆化学链气化由于其具有节省气化成本及提高合成气纯度等优势,有较大发展潜力。生物质具有高灰分和高碱金属含量的特点,在化学链转化过程中具有其特有规律。一方面,碱金属对生物质热解、气化过程具有催化作用从而提高其利用效率;另一方面,载氧体在循环使用过程中与生物质灰分发生混合,由于碱金属的熔融特性易与载氧体发生粘结,导致载氧体表观结构、空隙特性的变化,从而影响晶格氧的转移和利用规律。目前,碱金属对化学链气化过程的多重耦合作用研究尚不充分。基于此,本文以稻杆为研究对象,通过热重实验和管式炉气化实验,分析碱金属盐对稻秆热解气化(传统水蒸气气化)过程、稻秆化学链气化过程的作用规律;结合对载氧体形态检测,综合分析碱金属盐对生物质大分子断键过程、载氧体还原反应、载氧体性能的影响规律。为研究碱金属对生物质热解的作用机理,在热重红外连用仪上进行稻杆热解气化实验。结果表明,碱金属钾可以明显降低稻杆热解的表观活化能,降低稻杆的初始热解温度,且随着添加量的增加表观活化能逐渐降低;并且,相比于半纤维素,碱金属钾更有利于降低热稳定性较高的纤维素活化能,使两者热解温度发生重合,导致酸洗样肩状峰消失;另外,碱金属钾可以促进含有羰基的醛类、酮类、酸类及酯类等有机化合物和含羟基醇、酚及醚类有机化合物热解重整,促进CO_2和H_2等小分子物质的生成。生物质化学链气化先是大分子的热解气化,为研究不同碱金属含量对生物质热解气化的影响,在固定床实验台上进行传统稻杆气化实验(即生物质水蒸气气化实验)。结果表明,碱金属钾能明显促进稻杆水蒸气气化,总产气率得到明显增加,达到1.19Nm~3/kg,且H_2含量和气化效率明显增加,分别达到57%和75%;但碱金属钾的催化特性并非呈正比例关系,添加量过大会导致产气率和气化效率的降低。综合考虑H_2产率、总产气率和气化效率,5%碳酸钾浸渍具有较好的综合催化效果;另外,生物质固有碱金属钾表现出优于外添碱金属钾的催化效果。为研究碱金属对生物质化学链气化的动力学因素,在热重红外连用仪上稻杆化学链气化的实验,分析其失重特性和气态产物释放特性。结果表明,碱金属钾对氧化铁催化稻杆化学链气化失重的影响主要是在600℃以后的二次裂解阶段,并可明显促进CO、CO_2和CH_4的生成,且一定范围内催化效果随着负载量的增加而增强。为研究碱金属对生物质化学链气化的影响,在固定床实验台上进行稻杆水蒸气化学链气化的影响,分析其产气特性和残渣特性。结果表明,碱金属钾可以改善氧化铁的供氧性能,明显提高H_2产气率和气化效率,分别达到0.72Nm~3/kg和77.5%,但过高碱金属钾负载量和过高温度都会促成熔融物的形成,导致物料颗粒反应通道的堵塞,影响氧化铁催化效率和循环性能,本文实验条件下,750℃时Fe14K1达到了较好的产气率和载氧体循环性能。

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