简谈流化床烟草废弃物热解和气化实验及机理

论文导读：
摘要：众所周知，合理开发利用清洁的可再生能源是解决日益严峻的化石能源形势和日趋恶化的生态环境的重要手段。生物质能作为目前唯一一种可存储和运输的可再生能源，其资源化利用备受世界瞩目。烟草行业是我国重要经济支柱产业，卷烟加工会产生近30%烟草废弃物，如何将这些废弃物高效、清洁转化利用，不仅对地区经济社会的进展和环境保护有着重要作用，而且有益于当地建立持续进展的能源系统。生物质热化学转化技术是实现其能量转化最有效的方式，尤其是热解和气化将其转化为高品位的气体燃料。然而产品气中的高焦油含量居高不下严重限制了气化产品气的运用，生物质的催化热解和水蒸气催化气化被认为是减少其产品气中焦油含量最有效的办法。本论文以烟草废弃物为探讨对象，对其催化热解和水蒸气气化技术展开了系统的探讨，对于揭示生物质热解和气化机理具有重要的作用。本论文中热解和气化实验所利用的烟草废弃物原料，由于原料的原始形状和颗粒大小通常不一致，为了能得到不同粒径大小的样品，便于实验和浅析测试，首先要对原材料进行干燥、破碎和筛分。样品理化浅析结果表明：烟草废弃物相对煤而言有较低的固定碳含量，较高的挥发份含量。而且原料中元素N和S含量极低，灰分含量小于4%，由此，烟草废弃物是一种环境友好的生物质能源。同时，本论文还自制了负载型纳米镍基催化剂，以纳米氧化镍为活性成分，纳米氧化粉体先采取均匀沉淀法制备，再利用沉淀——沉积法将其负载到γ-Al_2O_3载体上得到NiO/γ-Al_2O_3催化剂，并利用APSP2020、SEM、EDX等手段对其进行了表征和浅析。结果表明：催化剂有比较高的外表面积和比表面积，其中NiO负载量超过13wt.%，而且活性组分NiO主要集中在催化剂的表面，这种结构有利于NiO的催化作用，同时还能节约成本。利用TGA-DSC对烟草废弃物热解特性进行了系统的探讨，并浅析了TG-DTG和DSC曲线了解样品的热失重行为和热解特点参数，同时探讨升温速率、颗粒大小和催化剂对生物质热解特性的影响，还利用Doyle和Friedman两种动力学模型计算出生物质热解反应动力学参数E和A。结果表明：样品的热裂解历程分为脱水、烘焙、热解和炭化四个阶段。升温速率的提升和催化剂对烟草废弃物的热解反应速率都有显著提升的作用。采取TG-GC相结合的策略，开展了烟草废弃物水蒸气催化气化的实验探讨，探讨了以NiO和白云石为催化剂，在水蒸气气氛下的烟草废弃物的挥发份析出特性，半焦的气化特性、气化反应动力学特性以及催化剂对气体产物特性的影响。结果表明：样品在水蒸气气氛下的失重历程体现出显著的“两段性”，第一段为挥发浅析出阶段，温度范围为217~357℃，水蒸气对此阶段的影响很小，可以忽略不计；第二段为水蒸气与第一阶段剩余的焦炭发生气化反应的阶段，温度范围为717~805℃。气化反应中热解阶段视为一级反应，半焦气化视为缩核反应。催化剂对气化反应有推动作用，提升了气体产物的产量和品质，合成气的产量有显著增加，而焦油的裂解被显著加强。添加NiO时，H2的产率最大，达到34mol/kg；添加白云石时，CO的产率最大，达到23mol/kg。为了进一步了解烟草废弃物热解机理和热解产物的特性，采取管式电加热炉配合气相色谱仪对烟草废弃物热解产物的分布进行了详细探讨，主要考查了热解终温、固相停留时间和催化剂的添加对气体产物特性的影响。探讨发现高温有利于H2和CO的产生。在NiO/γ-Al_2O_3催化剂的作用下，在850℃气体产率达到1.52Nm3/kg，H2的含量达到38.6vol.%，气体产物的热值约为15MJ/m3，可以直接用于燃气轮机、引擎和锅炉的燃烧。同时，对整个热解系统在900℃下干燥烟草废弃物的热解历程进行了能量和能量平衡计算浅析，结果表明：热解系统建立的质量平衡的误差为1%；因为烟草废弃物热解历程中每一个环节都会有着一定的能量损失，而且原料中存储的化学能也不可能完全转化热解产物的化学能，所以此热解系统的制气效率、能源回收率和能耗比分别为42.16%、89.01%和2.49。在连续进料的方式下利用实验室规模的鼓泡流化床气化系统，对烟草废弃物水蒸气气化进行了深入探讨，主要考查反应温度和S/B对气体产物特性的影响。实验结果表明：随着气化温度以700℃升高至850℃，气体中H2的含量以50.5增加至54.4%，CO的含量论文导读：设置63-654.2烟草废弃物水蒸气气化动力学探讨65-714.3催化剂对烟草废弃物气化产物释放的影响71-754.5本章小结75-775.烟草废弃物热解制富氢气体燃料的实验探讨77-895.1实验设置与试验策略77-805.2热解温度对烟草废弃物热解产物特性的影响80-835.3固相停留时间对烟草废弃物热解产物特性的影响83-855.4催化剂对烟草废弃
以14.3%提升到18.5%，而CO_2和CH_4呈现相反的变化走势；随着S/B的升高H2的产量先以0.037kg/kg大幅增加到0.07kg/kg，再缓慢增加到0.095kg/kg，最后慢慢趋于平稳甚至减小，所以水蒸气最佳通入量为1.32（S/B）。此外，由于烟草废弃物水蒸气气化反应的计算结果与实验结果有一定的偏差，由此需要对热力学模型进行适当的修正，以而使得模型计算结果与实验结果更加匹配。模型计算结果表明：各组分气体在几种气化炉温度和S/B工况下的变化走势与实验结果相似，两者之间RMS误差平均值达到2.990，但模型添加修正系数以后，两者之间的RMS误差平均值降低到1.985，说明修正以后的计算结果跟实验结果更加匹配。关键词：烟草废弃物论文催化热解论文水蒸气气化论文动力学论文流化床论文均衡模型论文
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ABSTRACT7-13
1 绪论13-30

1.1 世界能源利用近况及进展走势13-15

1.2 生物质及生物质能概况15-19

1.3 生物质能转化技术19-27

1.4 烟草废弃物27-28

1.5 本论文探讨的主要内容28-30

2 实验物料的预处理及其特性30-47

2.1 实验物料的来源30

2.2 实验原料的预处理30-31

2.3 实验原料的理化特性浅析31-35

2.4 烟草废弃物样品 TGA 浅析35-38

2.5 催化剂的制备与表征38-45

2.6 本章小结45-47

3 烟草废弃物热解的动力学浅析47-63

3.1 试验设备与试验策略47-53

3.2 烟草废弃物样品 TG–DSC 热解特性浅析53-55

3.3 颗粒粒径对烟草废弃物热解特性和动力学参数的影响55-57

3.4 升温速率对烟草废弃物热解特性和动力学参数的影响57-59

3.5 催化剂对烟草废弃物热解特性和动力学参数的影响59-61

3.6 本章小结61-63

4 烟草废弃物气化的 TG-GC 探讨63-77

4.1 TG-GC 浅析策略与试验设置63-65

4.2 烟草废弃物水蒸气气化动力学探讨65-71

4.3 催化剂对烟草废弃物气化产物释放的影响71-75

4.5 本章小结75-77

5.烟草废弃物热解制富氢气体燃料的实验探讨77-89

5.1 实验设置与试验策略77-80

5.2 热解温度对烟草废弃物热解产物特性的影响80-83

5.3 固相停留时间对烟草废弃物热解产物特性的影响83-85

5.4 催化剂对烟草废弃物热解产物特性的影响85-88

5.5 本章小结88-89

6 烟草废弃物热解历程的质能平衡及经济性浅析89-100

6.1 质量平衡89-90

6.2 能量平衡90-97

6.3 烟草废弃物热解制气经济性浅析97-98

6.4 本章小结98-100

7 烟草废弃物的流化床气化实验探讨100-116

7.1 实验设置与浅析策略100-105

7.2 装置运转参数的测定105-109

7.3 生物质水蒸气气化历程109-110

7.4 S/B 对烟草废弃物气化产物特性的影响110-111

7.5 温度对烟草废弃物气化产物特性的影响111-112

7.6 计算模型的校准与修正112-114

7.7 本章小结114-116

8 全文总结与展望116-120
8.1 全文总结116-119
8.2 下一步工作展望119-120
致谢120-122
参考文献122-136
附录 攻读博士学位期间发表的主要论文136