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。     

气化过程中谷壳焦颗粒孔隙结构及分形特性的演化

为了深入揭示生物质焦在气化反应中的行为变化及反应机理,该文利用氮气物理吸附法和扫描电镜等技术研究了气化过程中谷壳焦颗粒孔隙结构和表面形态的演化,并用分形维数描述了焦颗粒内部孔隙表面形态的复杂程度。结果表明,谷壳气化焦的吸附特性曲线在整体上均呈现出II型等温线特征,表明焦颗粒具有较为连续和完整的孔分布系统。随着气化反应的进行,谷壳焦的BET比表面积和微孔比表面积均呈现出先增大后减小的变化趋势,并在气化转化率为48.6%时取得最大值210.45和147.14m2/g。孔容积的变化规律与比表面积相近。随着气化转化率的增大,焦颗粒的平均孔径迅速减小,在转化率为35.4%时达到最小值2.94nm,之后稍有增大。分形FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型适用于生物质气化焦颗粒孔隙表面分形特征的研究。气化过程中焦颗粒孔隙表面分形维数的变化趋势与平均孔径的变化趋势相反,两者呈现出较好的线性关系。研究结果可为实际生物质气化过程的数值模拟和运行参数的优化等提供参考。     

基于多升温速率法的典型生物质热动力学分析

为研究典型生物质热动力学,判断反应机理,获得反应的动力学速率参数,该文采用热重分析技术对玉米秸秆、小麦秸秆、棉秆、松树木屑、花生壳、甜高粱渣等生物质原料进行了氮气气氛下不同升温速率的热解特性试验研究,利用Friedman法、Flynn-Wall-Ozawa法计算活化能,用Malek法确定最概然机理函数,建立了生物质热分析动力学模型,并讨论了不同生物质的差异性。结果表明:生物质的热解过程均包括3个主要阶段:干燥预热阶段、挥发分析出阶段、碳化阶段。典型生物质活化能随着转化率的增加而增加,在挥发分析出阶段,热解活化能介于144.61~167.34 k J/mol之间;反应动力学机理均符合Avrami-Erofeev函数,但反应级数有一定的差异;指前因子介于26.66~33.97 s-1之间。这为生物质热化学转化过程工艺条件的优化及工程放大提供理论依据。     

适宜增压流化床操作参数提高生物质热气化气合成甲烷效率

生物质热化学气化制取甲烷是人工获取代用天然气的重要方式之一,其中生物质热气化气合成甲烷是该技术的关键步骤之一。在自行设计的增压流化床反应系统上,开展生物质气化气合成甲烷的试验,分别研究了反应温度、反应压力、空速和氢碳比对甲烷生成速率和CO转化率的影响。结果表明,在增压流化床反应器上可高效的合成甲烷,最大甲烷生成速率超过3.2 mol/(L·h),CO转化率超过80%。提高反应温度有利于甲烷生成速率和CO转化率的提高,且当反应温度在350℃左右时达到最大值;反应压力对甲烷化过程有很大影响,提高反应压力有利于甲烷化过程;随着空速的增大,甲烷生成速率增加,但是CO转化率会下降;而甲烷生成速率和CO转化率则随着氢碳比的增大而增大。为获得较高的甲烷生成速率和CO转化率,适宜的反应温度在350℃左右,空速在10 000 h-1,氢碳比在3附近,反应压力可取在0.3 MPa左右。该研究结果将为进一步研究生物质热化学气化制取甲烷奠定基础。     

松木粉加压热解气化动力学特性

为了研究松木粉的加压气化特性,在加压热天平上分别进行了N_2、CO_2+N_2气氛下松木粉加压热解/气化试验,使用Malek法推断最概然机理,研究了反应压力与对热解/气化特性和动力学参数的影响。结果表明:压力对松木粉热解/气化过程有显著影响。N_2气氛下,压力的增大抑制了挥发分的析出,最大失质量由73.8%减小至71.4%;Malek法推断出二级反应级数和随机成核分别为加压热解第1、第2段最概然机理;热解第一段活化能由压力为0时41.15 k J/mol增大至0.9 MPa时的52.41 k J/mol。在CO_2+N_2气氛下,热解阶段压力的增大抑制挥发分的析出;半焦气化阶段,压力的增大促进气化反应的进行,使失质量速率峰值由0.101%/K增大至0.162%/K,且出现温度降低;二维扩散(圆柱形对称)为加压气化最概然机理;随着压力的提高,在碳转化率较高时,半焦CO_2气化速率逐渐提高。该文结果可为生物质的高效、清洁利用提供参考依据。     

基于热解-重整-燃烧解耦三床气化系统的生物质催化制富氢气体

生物质催化气化是将生物质转换成富氢气体的有效途径。该研究提出了一种由热解反应器、重整反应器和提升管燃烧器三部分构成的解耦三床生物质气化(decoupled triple bed gasification,DTBG)工艺。在实验室规模的DTBG气化反应装置上,以水蒸气为气化剂,以橄榄石为原位焦油裂解催化床料,进行了生物质水蒸气催化气化试验,考察了生物质种类、重整器温度、生物质进料速率对气化效果的影响规律,并且对气化副产物焦油的特性进行了分析。试验结果表明,生物质原料的挥发分对气化产物分布的影响很大,原料挥发分含量越高,气体产率越高,碳转化率越高,气体中的H2和CO体积分数越大、CO2体积分数越低。当重整器温度由750升高到850℃时,气体产率从0.91增加到1.08 m3/kg,焦油质量浓度从19.1降低到7.3 g/m3,同时气体品质大幅度提升。随着生物质进料速率的增加,产气中H2体积分数大幅度增加,CO2体积分数大幅度降低,但是焦油质量浓度基本不变。当重整器温度为800℃,白松木屑进料速率为220 g/h时,H2和CO体积分数分别达到了42.2%和14.6%,产气中焦油质量浓度为10.1 g/m3。气化焦油的主要成分为多环芳烃,其中萘含量最高。当重整器温度从700℃升高到850℃时,焦油中单环化合物几乎全部分解,3~4环多环芳烃化合物逐步降低,萘的相对含量从54.7%升高到75.6%。该研究结果可为大规模气化装置的设计、运行以及优化提供理论指导。     

鲜带鱼不同贮藏温度的货架期预测模型（简报）

为了研究鲜带鱼在冷链流通中的品质变化与货架期,通过不同温度下的贮藏试验研究了鲜带鱼的货架期预测模型。将鲜带鱼贮藏在268、273、278、283和293 K条件下,测定了鲜带鱼的总菌落数、总挥发性盐基氮（T-VBN）、鲜度指标（K值）与感官品质指标的变化。在Arrhenius动力学方程基础之上,建立了菌落总数、总挥发性盐基氮和鲜度指标（K值）与贮藏时间及贮藏温度之间的动力学模型。试验表明一级化学反应动力学模型和Arrhenius方程对总菌落数、总挥发性盐基氮（T-VBN）及鲜度指标（K值）的变化具有较高的拟合精度。菌落总数变化预测模型中的活化能（EA）及速率常数（k0）分别为：71.26 kJ/mol和3.987×1013,挥发性盐基氮变化的活化能（EA）及速率常数（k0）分别为：68.86 kJ/mol和2.159×1012,鲜度指标（K值）变化的活化能（EA）及速率常数（k0）分别为：41.26 kJ/mol和2.539×107。结果表明,鲜带鱼的总菌落数、总挥发性盐基氮（T-VBN）、鲜度指标（K值）随着贮藏时间的延长而增加,且随着贮藏温度的升高而增加迅速,其感官品质指标随着贮藏时间的延长而下降,且随着贮藏温度的升高而下降迅速。该试验建立的带鱼货架期预测模型所获得货架期预测值准确率达到±10%以内,可根据菌落总数、T-VBN值及K值在268～293 K范围内,对带鱼的剩余货架期进行预测。     

玉米秸秆热解动力学分析(简报)

该文采用耐驰STA449同步热分析仪,研究了玉米秸秆在升温速率为5、10、15、20、30 K/min,反应终止温度1273K的热分解反应,结果表明玉米秸秆热解过程可分为失水预热解、热解和碳化3个阶段,随着升温速率增加,反应的特征温度和最大失重速率增加,差示扫描（DSC）曲线整体向下倾斜,升温速率过大时,出现失水滞后现象。分别用FWO法、FRL法和Kissinger法对玉米秸秆热解进行了动力学计算,其热解活化能为（161±23）kJ/mol,通过Malek法确定了玉米秸秆热解满足J-M-A方程,反应机理为随机成核随后生长,确定了反应级数n和指前因子对数lgA的范围,并利用Matlab软件对实验数据进行拟合,验证了机理的正确性,并确定了玉米秸秆热解反应的动力学参数。该文结果对工程应用有指导意义。     

干/湿法烘焙预处理对稻壳燃烧反应特性的影响

烘焙是提高生物质燃料性质的重要技术手段,探究干/湿法烘焙对稻壳热解燃烧反应特性的影响具有重要意义。该研究利用固定床与高压反应釜对稻壳进行了不同温度下的干法烘焙和湿法烘焙（水热碳化）预处理,并利用热重分析仪对稻壳、稻壳烘焙炭和稻壳水热炭开展了非等温燃烧反应特性分析,并且利用Coats?Redfern法与三种常见的气-固反应机理模型对样品的燃烧反应特性进行了动力学分析。最后,该研究对干法与湿法烘焙两种预处理方式对稻壳的热解燃烧反应特性的影响进行了比较。结果表明两种预处理方式对稻壳的热解与燃烧反应参数存在影响：均导致热解反应性降低,干烘焙提高稻壳燃烧反应性,且反应性随着干烘焙温度的提高而升高。但湿烘焙使稻壳燃烧反应性略有降低。在相同的预处理温度条件下,稻壳烘焙炭较稻壳水热炭具有更高的热解起始失重温度、更低的热解最大失重速率及其对应温度和热解反应性。对于稻壳、稻壳烘焙炭及稻壳水热炭的热解燃烧反应性,模型O1较其他两个模型的线性回归指数更高。干/湿法烘焙使稻壳热解活化能升高,而湿烘焙使燃烧活化能降低。此外,两个阶段样品的指前因子（A）均随活化能的增大而增大,二者间存在明显的线性关系（R2均大于0.95）,表明反应过程具有动力学补偿效应。     

积分方法改进的生物质热解反应速率模型构建

针对经典Arrhenius方程中温度积分项不可积的问题,通过设定热解过程中生物质转化率同时为时间(和温度r的函数,使温度积分项可积分,有效避免积分法动力学分析中因简化而导致的计算误差。基于此热动力学方程(Ⅱ类热动力学方程)采用等转化率线性积分法求解反应活化能E,并结合模型拟合法选取最优反应机理函数,将选取的机理函数重新代入Ⅱ类热动力学方程积分式解得指前因子A的值。基于等转化率线性积分法分别采用Ⅰ类及Ⅱ类热动力学方程对玉米芯等5种生物质热解过程进行动力学分析,结果显示2类热动力学方程求得生物质活化能E的决定系数均高于0.95。Ⅱ类动力学方程求解的动力学参数计算的动力学分析值与试验值的吻合度高于Ⅰ类动力学方程。根据热解反应的活化能E与lnA具有高度线性拟合性,且转化率0.05～0.85间活化能波动不大这一特点,采用最大热解速率处转化率对应的热解动力学参数简化热解过程的动力学参数,可减小数值模拟的计算成本,为工程上热解反应的数值模拟提供一定的基础。     

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。     

生物质气化特性研究及分析

为了提高生物质能的利用效率以及生物质气化合成气的品质,基于AspenPlus模拟平台,以松木、玉米秸秆和木屑为气化原料,对生物质气化特性进行了研究并对气化过程进行了分析。计算了空燃比为0.7～2.3、生物质含水率为30%条件下的气化炉运行温度、合成气低位热值和效率等主要气化过程性能指标,并通过提高气化剂温度、干燥生物质原料等方法对生物质气化过程进行了优化分析。结果表明,生物质种类及其含水率对气化过程性能有较大的影响;降低生物质含水率、提高气化剂温度有利于提高气化过程的效率和合成气低位热值。     

燃用生物质气化气的内燃机特性分析

生物质气化气的组分对内燃机的排气温度、最大爆发压力、有效热效率和尾气排放都具有重要影响.各种气体成分的燃烧速率以及其中的阻燃成分都直接影响气缸内混合气的燃烧,同时影响内燃机的尾气排放.分析发现内燃机的排气温度过高、爆发压力偏低、能耗偏高的主要原因是由于生物质气化气热值低、燃烧速度慢:通过对尾气排放的测试分析发现,混合气的完全燃烧可以降低碳烟、CO和HC的排放,降低燃烧温度可以降低Nox的生成率.     

农作物秸秆气化利用技术与商业化经营案例分析

为了探讨农作物秸秆气化技术的商业化发展前景,该文分析了农作物秸秆气化集中供气系统的技术性能,认为空气氧化气化法和干馏热解气化法这两项技术由于工艺路线不同,造成气化集中供气系统组成与技术性能也有差异,但均已较为成熟和实用,具备较高的安全性与可靠性,有待解决与完善的技术问题主要是需要进一步减少燃气中的焦油和杂质含量。在此基础上,评估了农作物秸秆气化集中供气系统的商业化经营能力,应用成本－效益法分别计算了亏损案例和盈利案例,认为随着农作物秸秆气化集中供气系统在大范围内的进一步推广,今后必须增强商业化经营能力,逐步走向市场化道路。     

生物质燃气焦油产率及其净化

生物质气化技术是目前农村清洁用能的新型技术,但在应用中存在着燃气焦油灰分含量高,焦油味重,严重时堵塞管路等问题。该文以农村常用的下吸式生物质气化炉为核心,研究气化过程中焦油灰分的产出特性,并对出口燃气采用湿式喷淋装置和干式过滤装置相结合的联合过滤方法对燃气净化。试验表明,还原区温度对焦油和灰分含量有显著影响,高温可抑制焦油灰分产出（温度在650℃以上,1 m3燃气中,出口焦油灰分维持在2000 mg）。经过联合过滤后,焦油脱除效率达到99.5%以上,1 m3燃气中,燃气中焦油灰分维持在10 mg以内,达到     

锥形流化床生物质气化技术和工程

利用生物质气化发电、生物质气化供气、生物质气化供热等技术,可以将各种生物质能转化成为高品位气体燃料、电力或蒸汽,是生物质高效转化利用的主要途径。流化床气化是生物质热化学转化的主要研究技术之一。本文主要论述了利用锥形流态化气化炉,对不同生物质原料,进行气化的工程化应用试验研究。应用锥形流化床气化技术,在江苏省和安徽省等地,建立了生物质气化供气、供热和小规模发电(400 kW)等三个不同用能形式的工程。并且从拟建立的6MW生物质热解气化发电的计算结果来看:生物质原料价格达250元/t以上,生物质单纯发电,经济上不可行;如果应用热电联供,并且利用热解气化的固体炭产品,则能够产生较好的经济效益。     

秸秆气化集中供气技术产业化发展评价及其市场前景分析

对山东省科学院能源所开发的秸秆气化集中供气技术的产业化发展前景进行了评价,包括秸秆气化设备生产企业和相应的技术服务公司、秸秆气化集中供气系统施工企业以及技术产业化的外部效益等３个方面。结果表明,这种技术的产业化发展将给参与产业化的公司、企业及全社会带来良好的经济、社会效益。文中还分析了目前推动及制约这一技术较大规模应用的各种因素及市场发展前景。     

上吸式气化炉木屑气化结渣特性

为了探索上吸式气化炉内木屑气化结渣形成的原因与机理,在自制的上吸式生物质气化炉上通过控制气化条件形成结渣,分析了结渣形成的工况与部位,并对渣样进行了详细的表征.结果表明:随着入炉空气量的增加,气化炉内氧化区的温度急剧增加,气化强度显著增大,当入炉窄气量超过3.5 m3/h时,气化强度高达112.7 kg/m2·h),氧...