三段式生物质水蒸气气化制备合成气的研究开题报告

 2021-08-08 11:08

1. 研究目的与意义

随着工业化发展和人口增长，人类对能源的巨大需求和对化石能源的大规模开采、消耗已导致化石能源严重短缺，而且在化石能源的利用过程中产生了严重的环境污染和温室效应，因此，寻求和开发可再生能源已经引起全球的高度关注。生物质热解制备合成气技术就是将低品位的固体生物质原料转化为高品位的洁净气体燃料的热处理手段，并为合成液体燃料奠定基础，因此是一种可持续的清洁的能源转化技术。

生物质气化制合成气是目前生物质能源利用的最有前景的方法之一。前人已经使用两段式固定床反应炉，研究了生物质热裂解气体和液体产物组分及含量的变化，其中第一段反应炉用于生物质热解，第二段反应炉用于气体产物的催化裂解。研究结果表明：在第二段反应炉中加入催化剂，在高温下，使焦油部分裂解，降低了焦油的含量，气体得率明显增加，并且h2、co含量明显增加，ch4、co2含量有不同程度的降低。催化剂对焦油裂解的效果程度是：ni/椰壳活性炭ni/木炭木炭。

通过前人使用两段式固定床反应炉对生物质热裂解气体和液体产物组分及含量变化研究，表明虽然经过了第二段反应炉的催化裂解，已经减少了部分焦油，但是仍存在两个问题：热裂解产物中仍有不少焦油存在和气体产物中ch4和co2也仍然较多，影响了合成气的纯度，对以后合成液体燃料也带来很大的不便。因此本文改进实验装置，研究在三段式反应炉中，改变不同条件，合成气中各气体组分及含量的变化、焦油含量的变化以及气、液、固得率的变化。

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2. 国内外研究现状分析

近年来,生物质气化制合成气技术已成为了各国研究的热点,日本及欧美等发达国家和地区在该领域取得了较多研究成果,尤其是气化装置和催化剂的研究处于世界领先水平。过去几年,我国在生物质气化技术方面也取得了一定的进步,而利用生物质气化途径制备合成气的研究还比较少,主要集中在中科院广州能源所、华中科技大学、中国科技大学生物质洁净能源实验室等少数科研院所,并且大多数仍停留在实验室阶段。

karmakar等人[42]利用流化床反应器进行了富氢合成气的研究，得到的产气中氢气体积分数最高可达53.08%，碳转化率为90.11%，合成气的低位热值(lhv)在12mj/m3左右。瑞典的goransson等人[43]对双流化床气化技术进行了探讨，得到了氢气体积分数为40%的合成气,h2/co可达1.6左右,合成气的平均低位热值为14mj/m3,焦油裂解率为90%-95%。日本的xiao等人[44]以流化床热解加固定床重整的两阶段气化装置进行了生物质的低温气化的研究，在600℃的条件下，可以得到产率为2.0m3/kg,氢气体积分数高达60%，lhv为14mj/m3的富氢合成气。日本名古屋大学的ueki等人[45]对比了上吸式和下吸式固定床的生物质气化效果，其中上吸式固定床得到的合成气低位热值较高(4.8mj/m3)，而下吸式固定床则具有较高的碳转化率(82%)。然而,无论采用何种气化反应装置，在制备合成气的过程中仍普遍存在焦油裂解率和碳转化率偏低的现象，得到的合成气h2/co也往往不能满足液体燃料的合成要求。因此,研制新型高效的生物质气化反应设备是将来的研究热点之一。

国外研究者一直在努力通过改进气化技术提高气化效果及合成气质量。日本的kazuhiro等人[46]研究了木质生物质与煤的共气化，最终得到的合成气中h2体积分数(41.6%-43.3%)和h2/co(1.67-2.12)都较高，碳转化率也可达到98.0%。美国佛罗里达大学的mahishi等人[47]在松树皮的气化反应中加入了氧化钙作为co2吸附剂,结果表明气化效果得到了很大改善,在600℃的条件下，与不加氧化钙的相比，合成气产率、氢气产率及碳转化率分别提高了62%、48.6%和83.5%。

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3. 研究的基本内容与计划

内容

本课题采用三段式固定床反应炉，原料为绝干杉木屑，以水蒸气作为气化剂，并选用生物质气化所产生的固体残渣炭作催化剂或催化剂载体制备合成气。主要研究三段式反应炉中，生物质气化过程中气体的重整效果及焦油的去除效果。在以往的本实验室的研究基础上，主要研究：

（1）研究在第三段反应炉中催化剂种类对气体产物组成以及焦油组成与得率的影响；

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4. 研究创新点

（1）使用价格低廉，生物质气化过程中将产生的废渣生物质炭为热裂解催化剂，可以为开发低廉的气化催化剂提供理论依据和技术支持；

（2）采用立式三段固定床加热炉作为反应器，系统研究生物质炭或负载有金属催化剂在热裂解过程中气体产物组分随热解温度的演变规律；

（3）研究了生物质炭及其负载金属催化剂对生物质热裂解液体产物组分的影响规律。

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