农林废弃物制备低碳烯烃系统优化及物质与能量转化分析

该文利用AspenPlus软件对农林废弃生物质固定床气化、经甲醇制备低碳烯烃工艺路线进行了系统综合模拟,以研究生物低碳烯烃系统的物质和能量转化效果。以生成1t低碳烯烃的生物质原料消耗量RF、耗水量RH2O和耗电量Relec及低碳烯烃能量效率和系统总能量效率ηole和ηT等为性能评价指标,重点分析了气化水蒸气及富氧气与原料质量比(S/B和O/B)、合成气氢碳比和甲醇合成平衡温度等系统参数对系统性能的影响。并运用基于低位热值的能量分析方法,对优化条件下系统的物质和能量转化进行分析评价。结果表明:在S/B=0.26,O/B=0.14,合成气氢碳比为2.0和合成甲醇温度为245℃下,低碳烯烃制备系统性能较优,RF、RH2O、Relec、ηole和ηT分别为7.86 t/t、15.9 t/t、4.12 MWh/t、40.7%和43.0%。系统可实现电力自供,系统耗水主要用于补充冷却塔空气带出的蒸发水。系统能量损失主要来源于空冷换热、冷却塔蒸发散热及排空尾气,占生物质原料能量的24.1%。     

基于焦油炉内裂解的生物质气化特性试验

目前生物质气化炉推广应用过程中最主要技术问题是气化炉的原料适应性差、气化气中焦油含量高、产气热值低等。该文提出一种新型的焦油炉内裂解生物质气化炉,通过内置的U型管导气结构及其中填充多孔陶瓷蓄热材料以期促进气化气中携带焦油的裂解。试验研究表明,使用含水率12.3%的麦秸压块原料,其气化气中焦油含量显著降低至0.02～0.06g/m3,平均气化效率可达到61.9%,气化气平均低位热值达到5.0MJ/m3,即,该气化炉的新型结构能够显著降低气化气中的焦油含量,提高气化气热值,提升气化炉的产气品质。     

生物质流化床气化与结渣特性中试试验

为优化生物质流化床气化工艺,该研究在中试规模流化床实验台上进行了成型树皮和成型秸秆的空气气化试验,研究了空气当量比、气化温度与送风温度对成型树皮和成型玉米秸秆气化特性的影响,同时采用电子探针显微分析仪与X射线光谱分析仪对气化过程中结渣的微观结构与成分进行了分析。结果表明:气化效果随着空气当量比增大先升后降,空气当量比较佳值在0.24左右,此工况下树皮与秸秆合成气热值分别为5.66和3.92 MJ/m~3,气化效率分别为59.62%与33.92%;气化温度增加促进气化效果提升,气化温度从700℃升高至800℃,树皮合成气热值与气化效率分别提升了1.01 MJ/m~3与14.28%;一次风温度的提升对气化效果无显著影响(P0.05),但明显提升了炉膛底部温度,容易导致结渣,不利于设备稳定运行。2种生物质都有明显结渣现象,其表面呈现熔融玻璃状。结渣主要由KAl(SiO3)、K2MgSi_5O_(12)等复杂化合物与SiO_2组成。导致结渣的原因主要是生物质中K、Mg等碱金属元素在床料中富集,与石英砂床料反应形成低熔点熔融盐;树皮含有较多Ca,气化中形成高熔点的CaSO_4进而抑制结渣,而秸秆成灰率高,含有较多的K,导致结渣更为严重。     

牛粪固定床气化多联产工艺

为了减少畜禽粪便自然发酵造成的温室效应和环境污染,降低养殖奶牛的成本和增加养殖奶牛的效益,该文利用自制的固、气、液（Solid, gas, liquid）多联产固定床气化炉将牛粪气化,气化可得到固体牛粪炭、可燃气、提取液三相产品,三相产品均可以资源化利用,从而达到减排、减污的目标。考察了含水率、气化温度及气化剂的当量比对气化效果的影响。结果表明：原料含水率控制在12%～18%,气化温度为850～900℃,当量比在0.25～0.30时,气化效果较好,牛粪含水率为17.78%,气化温度为850℃,当量比为0.30时,气体产率为1.42 m3·kg-1,可燃气体的低位热值为2.84 MJ·m-3,牛粪炭得率为23.82%,提取液得率是24.17%。牛粪气化多联产工艺试验为工程化实施提了基础和基本数据。     

生物质发电燃料成本分析

为了对生物质发电成本进行分析,论文对生物质气化发电、直燃发电、混燃发电等几种主要的生物质发电方式进行了讨论,建立了生物质燃料消耗量模型和燃料成本计算模型。在相同的发电容量（15 MW）基础上,计算了不同发电方式对应的年燃料消耗量、年燃料收购费用和运输费用和燃料成本。结果表明,发电效率对燃料成本有较大影响,生物质直燃发电的燃料成本约为其它方式的2倍。     

农村生物质气化燃气分散供暖经济和环境效益分析

为了充分利用农业废弃物资源,改善北方农村冬季供暖条件,该文对生物质气化燃气分散式供暖技术进行了经济和环境效益分析,探讨其在农村供暖中的可行性。生物质气化分散式供暖具有节约能源、减少大气污染、温度调节方便等优点。通过借鉴天然气分散式供暖的研究成果和对生物质气分散式供暖进行分析,结果表明采取分段式控温、分房间控温和建筑物节能改造等手段可将供暖费用降到合理水平,基本与城市供暖费用相同。通过该文分析可知生物质气化燃气分散式供暖可以作为农村供暖的一种新模式。     

考虑焦油的生物质气化过程热力学模型

在生物质气化过程中焦油是不利产物,由于焦油成分的复杂性,传统生物质气化热力学模型均未考虑焦油。为了研究操作运行条件对燃气成分、焦油等影响,本文引入焦油模型化合物,考虑系统散热和碳不完全转化等因素影响,基于物质平衡、能量平衡和化学反应平衡建立了考虑焦油的生物质气化过程热力学模型。使用Newton-Raphson方法对模型进行了求解。利用文献数据验证了模型的有效性。最后,利用所建模型计算了空气预热温度、空气当量比、水蒸汽添加率等操作条件对燃气成分、焦油含量等指标的影响。结果表明,空气预热温度提高,焦油含量下降,气体热值提高;空气当量比从0.2提高到0.3,焦油含量降低,燃气中有效成分减少;水蒸汽添加率从0增加到10%,焦油含量下降,气化效率提高。研究结果可为生物质能低焦清洁利用提供参考。     

生物质流化床气化炉的发展与应用

连续气化的生物质流化床气化炉,以空气和水蒸气为气化剂,用生物质和煤为原料(煤的质量比0~20%),煤气热值为6~7 M J/m3。该炉在生产燃气的同时,还可副产水蒸气和生物质木炭,燃气可民用、工业用及发电用。间歇气化的生物质流化床水煤气炉,采用吹风和制气的二步工作法生产水煤气。水煤气的热值可达12~16 M J/m3,燃气可用于提氢和制备甲醇、二甲醚等。     

生物质在熔盐中的热裂解特性

为了研究生物质在熔盐中的热裂解特性,在自行设计的生物质热裂解反应器中,以熔盐热裂解生物质,考察了裂解温度、FeCl2含量和原料种类对生物质热裂解特性的影响,测定了生物油的物性参数,并用气相色谱-质谱（GC-MS）分析了生物油的主要组成。结果表明：在物质的量比为7︰6的ZnCl2和KCl混合熔盐中添加物质的量分数为5% FeCl2裂解生物质,温度对热裂解的影响显著,生物油得率随温度先升高后降低,存在最大值,以水稻秸秆为原料相对应的温度为525℃,最高生物油得率约为18%;添加FeCl2能提高生物油得率;以纤维素为原料裂解制得的生物油含水率小于以水稻秸秆为原料的生物油含水率;生物油含水率较高,其密度与水相近,黏度比水略大,灰分少,pH值为2.5～3.0;生物油成分复杂,含甲氧基类有机物较多,需改性后使用。该研究为熔盐热裂解生物质制取生物油提供了参考依据。     

生物质成型材料干馏裂解工艺试验

该文分别以锯末成型块和稻壳成型块为原料,研究了干馏热解最高温度和速度对碳热值、产率、质量的影响,试验结果表明:对生物质成型材料而言,炭的产量同样是热解温度和加热速率的函数。在低于400℃条件下,随着炭化温度升高,两种实验样品失重很快,当炭化温度由400℃升到600℃,焦炭产量只轻微的减少;进一步升到800℃,炭的重量减少至不到净重的3%(干基),但加热速度对生物质成型炭的质量比木材炭质量影响更大,过高的加热速率和原料过大含水率容易造成生物质成型碳产生裂纹,使成型炭的强度下降,从而影响炭的质量。从经济性角度考虑,碳化温度控制在400~500℃范围内,此时,炭的含碳量在76%~85%,炭产量在33%~40%。     

粮食水分结合能与热风干燥动力解析法

为揭示粮食中水分蒸发耗能特征,基于不可逆热力学分析方法,把水分迁移的现象看作是一定数量的能量迁移,建立水分结合能解析模型,给出了水分结合能随温度、含水率变化规律,清晰地呈现了粮食在高水分段水分蒸发受物料的限制作用很小,而在低水分段水分结合能随温度升高显著降低的特征,研究结果为解析粮食二段降速干燥过程、合理匹配干燥温度提供了依据和分析方法,为揭示干燥质驱动机理,制订科学的能效评价标准,合理的干燥装备系统设计补充了技术基础理论。     

机动车燃用生物质气化气的行驶与排放特性

分别以生物质空气气化气和富氧气化气作为机动车燃料,从行驶和排放特性2个方面进行了试验研究。结果表明：相同条件下,燃用生物质空气气化气行驶里程是富氧气化气的1/3,燃用生物质富氧气化气的行驶里程是天然气的1/3;燃料（气体组分）变化对机动车尾气中一氧化碳排放影响较小,过量空气系数对一氧化碳的排放量具有决定性作用;以生物质空气气化气作为发动机燃料时,碳氢化合物排放量较低,以生物质富氧气化气作为发动机燃料时,碳氢化合物排放量较高,但排放趋势相似;燃料（气体组分）变化对氮氧化物排放起决定性作用;而温度是影响热力型氮氧化物排放的主导因素。生物质气化气是一种清洁、可再生的代用燃料。     

CeO2添加比例对Fe基催化剂催化纤维素气化制氢的影响

为研究CeO2添加对生物质催化气化制氢特性的影响，该研究采用分级气化系统分析了不同CeO2/Fe2O3比例（Ce∶Fe摩尔比为0∶1、3∶7、5∶5、7∶3、1∶0）双金属催化剂对纤维素水蒸气催化重整制氢气体产物产量、组成以及催化剂的结构演变特性的影响。结果表明，CeO2/Fe2O3催化剂在制氢反应中的催化性能明显优于纯CeO2或Fe2O3催化剂，当Ce∶Fe摩尔比为3∶7时，在800℃下氢气的最大产率为21.63 mmol/g（以纤维素计，下同）；当温度大于等于800℃时，催化剂氧化还原反应后可生成CeFeO3，且CeFeO3的存在对纤维素水蒸气气化过程有促进作用。CeO2的引入提高了催化剂的氧化性能和稳定性，提高了使用寿命。该研究对生物质气化机制的深入理解具有一定的指导意义。     

Phosphorus bioavailability in ash from straw and sewage sludge processed by low‐temperature biomass gasification

Reuse of phosphorus (P) from waste streams used for bioenergy conversion is desirable to reduce dependence on nonrenewable P resources. Two different ash materials from low‐temperature biomass gasification of wheat straw and sewage sludge, respectively, were investigated with regard to their P bioavailability. A set of pot experiments with spring barley was carried out to compare the ash P fertiliser value with mineral P fertiliser and the sewage sludge feedstock. An indirect radioactive labelling approach with ³³P was used to determine the amount of P taken up from the fertiliser materials. Depending on the application rate, straw gasification ash produced a fertiliser response comparable to mineral P. However, P uptake from the ash was generally less than uptake from equivalent amounts of mineral P, and the calculated relative effectiveness was 44% after 6 weeks of plant growth. In contrast, the P fertiliser value of Fe‐rich sewage sludge after low‐temperature gasification was practically zero. These results suggest that ash from low‐temperature gasification could be developed into alternative P fertilisers; however, as the P bioavailability depends greatly on the feedstock used, a greater emphasis on feedstock composition is required.     

高温蒸汽松木颗粒富氢气化试验

采用自制下吸式气化炉试验系统平台,以松木颗粒为原料,进行不同蒸汽流量及气化温度条件下的高温蒸汽气化试验。试验表明:随着气化温度升高,气化反应程度加剧,碳氢化合物与高温蒸汽的重整反应亦更剧烈。气化气中H2体积分数从气化温度为700℃时的23.38%升高到950℃时的44.79%,提高了近一倍,但由于CO和蒸汽的变换反应在900℃后受到抑制,H2体积分数略微下降,CO随温度升高先减少后增加,CO2呈缓慢减少趋势;蒸汽流量是高温蒸汽气化技术重要影响指标,在气化温度为850~950℃范围内,蒸汽流量由0.3增加到0.9 kg/h时,气化气中H2体积分数由37.06%增长到47.67%,CO变化较为稳定,CO2的含量先降低后上升,CnHm的体积分数呈下降趋势,气化气产率和氢气产率均随蒸汽流量的增加先增大后减小;特别是当蒸汽流量为0.6 kg/h,气化温度为900℃时,气化气产率和氢气产率分别为2.69 m3/kg和101.8 g/kg,达到试验工况条件下的最大值,此时反应加入的蒸汽量与生物质量的比值约为0.95,为试验较佳工况。     

高湿稻谷节能干燥工艺系统设计与试验

为了降低高湿稻谷干燥耗能、提高干燥系统作业效率,基于高湿稻谷干燥特性和干燥传递理论,绘制出了高湿稻谷贮存干燥仓内通风去湿降温过程状态参数变化图,设计出了高湿稻谷贮存干燥仓,能够利用常温自然空气实现高湿稻谷干燥和有效回收干燥系统的烟气余热。应用结果显示,在风量谷物比为149 m3/(h·t)时,每间隔1 h,通风2 h,累计贮藏干燥18 h,可使初始含水率31.3%的稻谷平均含水率降低11.36%,回收烟气废热55.3%。针对南方高温高湿的气候特点,设计出了5HNH-15型稻谷逆流热风干燥机和节能干燥工艺系统。试验结果表明,系统的单位耗热量为2 939 kJ/kg,与国标≤7 400 kJ/kg相比,最高节能可达60%。该文指出了实现高湿稻谷优质、高效节能干燥,合理的工艺系统设计应以客观能势的利用为主,人为提供主观热能消耗为辅。研究结果为粮食干燥设计指明了高效节能途径,为大型粮食集中干燥工艺系统设计提供了参考。     

粒径和启动温度对猪粪气化过程的影响

试验采用自主设计制造的流化床反应器,对猪粪展开空气气化研究。该文主要考察了原料粒径和启动温度对气化过程的影响。试验结果表明,原料粒径会影响固体颗粒在反应器内的停留时间和异相反应的接触面积。随着粒径增大反应器内温度场分布最高温度区上移,因此要求反应器有足够的流化高度;粒径越大,液体产率越高,固体产率越低,气体产率以0.5 mm粒径最高;在1.0 mm以内的原料粒径对气态产物的成分没有明显影响;通过对燃气热值、碳转化率和气化效率3个气化指标的计算,结果显示0.5 mm效果最佳。试验结果也表明反应器启动温度越高,反应器启动时间就越短,越有利于气体产物形成;由于当量比保持不变,所以固体产物得率基本没有变化,液体产物随启动温度提高而减少;小分子气态物质含量随启动温度升高而升高,一些相对大分子物质成分含量随温度升高而减少;启动温度对3个气化指标的影响不是很明显。