不同气化剂下海藻粉在气流床下气化特性试验研究

为考察O2/水蒸气和O2/CO2作为气化剂对海藻粉气化特性的影响,在自制的小型生物质气流床气化炉上开展海藻粉在气流床下气化特性试验研究。当氧气/生物质比（O/B）为0.3、气化温度为1200℃时,不同水蒸气/生物质比（S/B=0～1.2）对合成气组成有较大影响,其中H2产量的上升趋势最为明显,S/B=1.2时比单纯氧气气化提高了81.4%。而在O2/CO2气化条件下,由生物质产生的CO2随二氧化碳/生物质比（CO2/B）的增加而下降,当CO2/B=0.9时,H2、CO的产量分别比单纯氧气气化提高了33.9%和75.8%,热值由5521 kJ/m3上升至8576 kJ/m3。结果表明,如果以提高热值为制取合成气的目标时,添加CO2在一定范围内可以达到水蒸气的效果,同时降低了系统能耗及简化了气化设备。     

生物质合成气发酵生产乙醇的工艺分析

介绍了生物质合成气发酵制备乙醇的工艺过程。采用Aspen plus软件对工艺过程建立模型,模拟计算乙醇的产量。针对影响乙醇产量的主要参数进行了灵敏度分析,结果表明:气化过程中氧气与干生物质质量比对乙醇产量影响显著,且比值为0.4时,乙醇产量最大;而气化过程中过多蒸汽的加入会降低乙醇产量;发酵过程中CO和H2转化率的提高有利于乙醇产量的增加。     

生物质气流床气化制取合成气的试验研究

利用一套小型生物质层流气流床气化系统,研究了稻壳、红松、水曲柳和樟木松4种生物质在不同反应温度、氧气/生物质比率(O/B)、水蒸汽/生物质比率(S/B)以及停留时间下对合成气成分、碳转化率、H2/CO以及CO/CO2比率的影响.研究表明4种生物质在常压气流床气化生成合成气最佳O/B范围为0.2～0.3(气化温度.1300℃),高温气化时合成气中CH4含量很低,停留时间为1.6s时其气化反应基本完毕.加大水蒸汽含量可增加H2/CO比率,在S/B为0.8时H2/CO比率都在1以上,但水蒸汽的过多引入会影响煤气产率.气化温度是生物质气流床气化最重要的影响因素之一.     

生物质水蒸气气化制氢模拟研究

利用ASPEN PLUS软件建立了生物质水蒸气气化制氢模型,对各种影响因素进行了深入分析。结果表明:随着碳转化率的增加,H2浓度略有降低,H2产量大幅增加,在碳转化率为1时达到最大值142.54 g/kg;随着水蒸气/生物质质量比的增加,H2浓度和产量大幅增加,而后趋于稳定,水蒸气/生物质质量比取2比较适宜。适当的升温和低压对制备H2有利,在加压条件下,H2浓度与产量达到最大值的温度升高。     

生物质蒸汽气化模拟研究

利用化学热力学软件(GasEQ)模拟了生物质蒸汽气化过程中温度、水蒸气与物料质量比(S/M)以及CO2浓度对H2,CH4和CO的影响;研究了冷合成气低位热值(LHV)和气化能量转化效率(q)随各参数变化的规律,并且考虑了外部能量的消耗。模拟研究得到:随着温度的升高,合成气的LHV总体表现出降低,并且q先增加后微弱下降,认为存在一个最优的气化温度(800⁹00℃);高S/M有利于H2的生成,提高H2的体积浓度,但水蒸气的增加,降低了LHV值,并且q先增加后减少,因为水蒸气会消耗大量外部能量,存在一个最经济的气化S/M;随着反应气中CO2浓度的升高,促进了生物质气化,并使CO浓度升高和H2浓度降低。     

基于Gibbs自由能最小化原理的生物质催化气化模拟

利用Aspen Plus软件,结合吉布斯Gibbs自由能最小化原理,对生物质催化气化过程模拟。考察温度、压力等操作条件及生物质与CaO的配比对气化过程的影响,并结合实验数据对模拟结果进行验证。结果表明:温度升高,产品气中CO和H2以及CH4含量逐渐降低,CO2含量逐渐升高;提高催化剂CaO含量,有利于H2产生;压力升高H2含量增加。总体来说,该模型所得的模拟值与实验值比较吻合。     

稻壳连续热解特性研究

在自行研制的生物质连续热解反应装置上进行稻壳连续热解和二次裂解实验研究。随着稻壳热解温度的提高,炭产率降低,气体产率增加,液体产率先增加后减少;随着滞留时间的减少,炭产率、液体产率增加,气体产率减少。稻壳热解气以CO2和CO为主,且二者为竞争关系,热解温度提高,CO2产量降低,CH4、H2、C2H4、C2H6产量增加,CO的产率变化不大;滞留时间对热解气组分影响不大。二次裂解温度提高,裂解气中的H2、CH4、C2H4含量明显增加,二次裂解温度为800℃时,H2产率达到12%。稻壳500℃热解挥发物600℃二次裂解木醋液中醋酸含量高达49.44%,焦油中检测到的物质主要为丙酮和异丙醇。     

生物质合成气的化学当量比调整

针对生物质气化气中硫化物少、V（H2／CO）低和V（CO2）高的特点，采用气化炉内铁系高温变换催化剂和气化炉外钛促进的钴钼耐硫催化剂进行水煤气变换调整H2／CO比，添加部分沼气重整过量CO2，对生物质合成气化学当量比调整进行了实验研究。结果表明：气化炉内铁系催化剂调整效果不明显；在高温低硫的生物质气化气中，钛促进的钴钼耐硫催化剂具有较高的变换活性，CO转化率达到80％以上，合成气H2／CO比在1-8范围内可调；在V（CH4，CO2）=1、常压、750℃和镍基催化剂作用下沼气重整过量CO2，制备出宽V（H2／CO）、V（CO2）和V（CH4）均低于5％（摩尔百分比）的合成气；通过水煤气变换过程结合沼气重整过程，可依据目的产物合成的要求，制备合适化学当量比、高碳转化率的生物质合成气。     

高温移动床废轮胎与生物质直接热解制气性能研究

对以不同比例组成的废轮胎与生物质均匀混合物在移动床内高温直接热解的制气性能进行了研究,考察了温度和废轮胎含量对产物产率、气体组分以及热值等影响。结果表明,温度对直接热解气产率和热值影响较大,温度越高,气体产率越大而热值越小;混合物中废轮胎含量增大,热解气中碳氢气体含量增多而含氧气体减少,气体产率逐渐减小而热值增大。温度升高,合成气(H2+CO)含量和H2/CO比值均增大;废轮胎含量增大,合成气(H2+CO)含量和H2/CO比值先增大后减小。当热解温度为1 000℃,废轮胎含量为35%时,热解产物中(H2+CO)含量最高为61%,且H2/CO的比值达到最大值为1.53,有利于作为工业合成气原料。同一温度下,混合物直接热解气热值远远高于生物质单独热解,说明废轮胎的掺入有助于优化热解气组成,提升燃气品质。     

流化床中生物质气化的数值模拟

基于欧拉多相流模型,自编化学反应子模型,通过建立生物质流化床气化动力学模型,对某实验室规模的流化床生物质气化炉进行了数值模拟,研究了蒸汽与生物质的质量比（mS/mB）、生物质粒径对产气组分、蒸汽分解率等的影响.结果表明：mS/mB增大,H2体积分数先上升后保持不变,而CO和CH4的体积分数先下降后几乎不变,蒸汽分解率下降;生物质粒径减小有利于气化过程,使CO和H2的体积分数明显上升;计算结果和试验结果基本吻合,表明基于欧拉多相流的动力学模型能对流化床中生物质的气化进行比较准确的模拟.     

水蒸气气氛下生物质与聚丙烯共气化产气特性数值分析

搭建生物质与废塑料共气化动力学模型,并用实验数据对其进行验证。选用6种生物质和聚丙烯作为共气化反应物,以水蒸气为气化剂,计算气化温度在300～1000℃之间、气化压强在0.1～0.8 MPa之间、聚丙烯和松木锯末质量比例在0.5～2.5之间,以及不同生物质类型等对生物质和聚丙烯共气化产气特性的影响。结果表明：松木锯末气化中添加聚丙烯后,最高产气量和最大产气速率增加,最高产气总流量提高21.46%,最高产气速率提高4.64%,H₂和CO最高产量分别提高54.27%和79.51%;压强增加不利于提高共气化产气的H₂和CO含量,有利于提高CH₄含量;6种常见生物质和聚丙烯共气化产氢量大小顺序为：果皮>棉花秆≈玉米秸秆>杨树木屑>稻秆>条浒苔;聚丙烯掺混比率增加有利于提高H₂、CO和CH₄等组分产量。     

联合CO2捕集的生物质化学链气化制备合成气系统分析

本文提出以Fe₂O₃为载氧体、以CaO捕集CO₂的生物质化学链气化系统,利用Aspen Plus软件对该系统进行了模拟,以合成气组成（干基）、合成气氢碳比、含碳产物的碳摩尔分布、冷气效率及收率等为系统性能评价指标,重点分析了燃料反应器温度（T_FR）、载氧体Fe₂O₃与生物质碳摩尔比（Fe₂O₃/C）、水蒸气与生物质碳摩尔比（Steam/C）、CaO与生物质碳摩尔比（CaO/C）等系统参数对固体生物质化学链气化系统的影响。结果表明,在T_FR = 825℃、Fe₂O₃/C = 0.5、Steam/C = 0.71和CaO/C = 0.26条件下,合成气制备系统性能较优,合成气中H₂和CO₂含量分别为55.2%和15.4%,氢碳比为1.93,冷气效率为78.2%,被CaCO₃捕集的生物质碳为18.2%,收率（湿气基）为1.95 Nm³/kg_biomass,其中合成气中H₂和CO收率为1.24 Nm³/kg_biomass。     

下吸式生物质气化炉热力学平衡模型研究

建立下吸式生物质气化炉热力学平衡模型,该模型包括焦炭、焦油和气体,并用已公布的实验数据对模型进行验证,均方根（RMS）在1.304~3.814之间,结果表明该模型的预测值与实验数据吻合较好,可认为模型可靠。然后模拟棉秆在下吸式生物质气化炉中以空气和富氧气体2种气化氛围下,不同操作参数(当量比、预热温度和气化炉反应温度)下对棉秆气化的气体组分、热值和产率的影响。模拟结果表明：富氧气体为气化剂时,当量比从0.20增至0.35时,气体中N₂含量比空气显著下降,达10%以上,同时发现能提高气体中H₂和CO的含量和热值,热值比空气提高约20%。预热温度对气化成分变化影响有限,随预热温度从30 ℃变化到130 ℃,气体的平均热值从空气的5.2 MJ/m³提高到富氧气体的7.0 MJ/m³。随气化炉内反应温度从750 ℃升至1250 ℃,空气和富氧气体2种气化剂下的H₂和CO分别从20.94%、26.84%和21.77%、28.67%下降到4.06%、9.12%和10.49%、21.60%,导致气体的热值降低。     

串行流化床生物质气化合成二甲醚的模拟

以稻秸秆为研究对象,利用Aspen Plus软件建立了串行流化床生物质气化制取合成气合成二甲醚（DME）的模型,研究了不同气化温度、水蒸气与生物质的质量比（mS/mB）、DME合成温度、合成压力、吸收塔操作压力及吸收剂与DME的配比（nA/nD）对合成工艺的影响.结果表明：对于采用串行流化床生物质水蒸气气化技术制取DME的一步法合成系统,建议气化温度取750℃左右,mS/mB取0.3,DME合成温度取260℃,合成压力取4MPa,用水作吸收剂,吸收塔的操作压力控制在3～4MPa,nA/nD取0.5;在此工况下,1kg生物质（干燥基）所能产生的二甲醚物质的量约为6.1mol.     

下吸式固定床的生物质H2O/CO2气化数值模拟研究

利用Aspen Plus 软件建立干桦木屑在下吸式固定床气化炉中的气化模型,模拟值与文献实验值吻合良好。利用Aspen Plus的灵敏度分析模块模拟分别以水蒸气（H₂O）和二氧化碳（CO₂）为气化剂时气化剂/生物质碳比（GC值）对气化结果的影响,并结合H₂O、CO₂各自的特点研究其复合气化。结果表明,H₂O气化时可获得富氢煤气,但其净CO₂排放量较高;CO₂气化时碳转化率及冷煤气效率较低,但净CO₂排放量较低;H₂O、CO₂复合气化使碳转化率及冷煤气效率略有降低,但可有效减少气化系统中的净CO₂排放量。     

Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures. Part II. Char gasification

This paper surveys the database on char gasification at elevated pressures, first, to identify the tendencies that are essential to rational design of coal utilization technology, and second, to validate a gasification mechanism for quantitative design calculations. Four hundred and fifty-three independent tests with 28 different coals characterized pressures from 0.02 to 3.0 MPa, CO₂ and steam mole percentages from 0 to 100%, CO and H₂ levels to 50%, gas temperatures from 800 to 1500 °C, and most of coal rank spectrum. Only a handful of cases characterized inhibition by CO and H₂, and only a single dataset represented the complex mixtures of H₂O, CO₂, CO, and H₂ that arise in practical applications. With uniform gas composition, gasification rates increase for progressively higher pressures, especially at lower pressures. Whereas the pressure effect saturates at the higher pressures with bituminous chars, no saturation is evident with low-rank chars. With fixed partial pressures of the gasification agents, the pressure effect is much weaker. Gasification rates increase for progressively higher gas temperatures. In general, gasification rates diminish for coals of progressively higher rank, but the data exhibit this tendency only for ranks of hv bituminous and higher.

These tendencies are interpreted with CBK/G, a comprehensive gasification mechanism based on the Carbon Burnout Kinetics Model. CBK/G incorporates three surface reactions for char oxidation plus four reactions for gasification by CO₂, H₂O, CO and H₂. Based on a one-point calibration of rate parameters for each coal in the database, CBK/G predicted extents of char conversion within ±11.4 daf wt% and gasification rates within ±22.7%. The predicted pressure, temperature, and concentration dependencies and the predicted inhibiting effects of CO and H₂ were generally confirmed in the data evaluations. The combination of the annealing mechanism and the random pore model imparts the correct form to the predicted rate reductions with conversion. CBK/G in conjunction with equilibrated gas compositions accurately described the lone dataset on complex mixtures with all the most important gasification agents, but many more such datasets are needed for stringent model evaluations.

Practical implications are illustrated with single-particle simulations of various coals, and a 1D gasifier simulation for realistic O₂ and steam stoichiometries. The rank dependence of gasification rates is the determining factor for predicted extents of char conversion at the gasifier outlet. But soot gasification kinetics will determine the unburned carbon emissions for all but the highest rank fuels. Only gasification kinetics for gas mixtures with widely variable levels of H₂O, H₂, and CO are directly relevant to gasifier performance evaluations.     

生物质气化工艺废水特征及预处理实验研究

对生物质气化中试现场产生的废水进行了水质及水量特征分析,针对生物质气化工艺废水固体颗粒含量高、有机物浓度高、难生化降解、废水增量少的特点,采取减压蒸馏及芬顿氧化对生物质气化废水进行预处理。实验结果表明,在85 ~ 90℃、真空度 -0.07 ~ -0.095 MPa减压蒸馏条件下,废水COD、NH₄-N脱除率分别为74.38%、94.46%;在Fe²⁺-H₂O₂体系中,考察了H₂O₂与废水质量比、H₂O₂与Fe²⁺摩尔比、反应时间、H₂O₂浓度对COD、NH₄-N、TOC、TN等的影响,当H₂O₂与废水质量比为8.40%时,可将减压蒸馏蒸出液COD从2.05 × 10⁴ mg/L降至4.11 × 10³ mg/L,NH₄⁺-N从143 mg/L降至11.1 mg/L。     

下吸式固定床的生物质O2/CO2分段气化流程模拟

建立干桦木屑在下吸式固定床气化炉中的Aspen Plus气化模型,该模型预测煤气组成和煤气热值,与文献试验结果吻合良好。利用灵敏度分析模块模拟了氧碳比、CO₂/C对气化结果的影响,并提出O₂/CO₂分段气化流程,对比常规的CO₂气化特征,分析了CO₂/C对气化结果的影响。结果表明,纯氧气化时可获得高H₂和CO浓度的气化气,但其净CO₂排放量较高,氧碳比增加使碳转化率逐渐增加、冷煤气效率先增加后降低;CO₂作为气化剂时,随着CO₂/C的增加,净CO₂排放量逐渐减少,但碳转化率及冷煤气效率大幅降低;与常规CO₂气化相比,O₂/CO₂分段气化在保持低CO₂排放量的同时,可有效增加气化过程中的碳转化率及冷煤气效率。     

玉米秸秆循环流化床热解气化试验

采用循环流化床气化中试装置对玉米秸秆进行了气化试验,分别在常温空气与250℃预热空气条件下,研究了空气当量比（ER）和原料含水率对气化特性的影响规律。结果表明：随着ER的增大,循环流化床气化炉内的反应温度升高,气化燃气中的CO₂含量增加,焦油与CO含量及燃气热值降低,气化效率随ER的增大呈先增大后减小的趋势;随着气化原料含水率的增加,循环流化床气化炉内的平均温度下降,燃气中的CO₂与H₂及焦油含量逐渐升高,CO含量下降,CH₄与C_nH_m含量均为先增加后减少。与常温空气工况相比,预热空气工况下的燃气热值与气化效率均有一定程度的提高。采用预热空气为气化介质,提高气化剂温度,可显著促进玉米秸秆的气化反应,提升气化效率。     

Exergy losses in premixed flames of dimethyl ether and hydrogen blends

A second-law thermodynamic analysis was conducted for stoichiometric premixed dimethyl ether (DME)/hydrogen (H₂)/air flames at atmospheric pressure. The exergy losses from the irreversibility sources, i.e., chemical reaction, heat conduction and species diffusion, and those from partial combustion products were analyzed in the flames with changed fuel blends. It is observed that, regardless of the fuel blends, chemical reaction contributes most to the exergy losses, followed by incomplete combustion, and heat conduction, while mass diffusion has the least contribution to exergy loss. The results also indicate that increased H₂ substitution decreases the exergy losses from reactions, conduction, and diffusion, primarily because of the flame thickness reduction at elevated H₂ substitution. The decreases in exergy losses by chemical reactions and heat conduction are higher, but the exergy loss reduction by diffusion is slight. However, the exergy losses from incomplete combustion increase with H₂ substitution, because the fractions of the unburned fuels and combustion intermediates, e.g., H₂ and OH radical, increase. The overall exergy losses in the DME/H₂ flames decrease by about 5% with increased H₂ substitution from 0% to 100%.