木屑水蒸氣氣化制取富氫燃?xì)庋芯?/h1>
2016-06-23 08:35:17孫云娟
生物質(zhì)化學(xué)工程 2016年2期
孫 寧， 應(yīng) 浩， 徐 衛(wèi)， 孫云娟， 許 玉， 賈 爽
(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042)
孫 寧， 應(yīng) 浩*， 徐 衛(wèi)， 孫云娟， 許 玉， 賈 爽
(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042)
摘要：以木屑為原料，利用高溫固定床反應(yīng)器，通過(guò)高溫水蒸氣氣化制取富氫燃?xì)猓疾炝藲饣瘻囟?750～1 000 ℃)和水蒸氣流量(0.290～1.409 g/min)對(duì)燃?xì)庵蠬2的體積分?jǐn)?shù)、熱值、產(chǎn)氣率等指標(biāo)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同的氣化溫度和水蒸氣流量對(duì)燃?xì)飧鹘M分體積分?jǐn)?shù)有很大的影響，較高的氣化溫度和適當(dāng)?shù)乃魵庖肓坑欣跉錃獾漠a(chǎn)生，但是過(guò)高的溫度和過(guò)量水蒸氣的引入會(huì)造成燃?xì)鉄嶂到档?。綜合考慮各方面影響，水蒸氣氣化的最適條件為氣化溫度900 ℃，水蒸氣流量1.033 g/min，在該條件下，所制得的氣化燃?xì)庵蠬2體積分?jǐn)?shù)為45.74 %，熱值為11.69 MJ/m3，產(chǎn)氣率為1.96 L/g。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì);水蒸氣氣化;高溫;富氫
氫能作為一種21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉?，以其清潔無(wú)污染、熱值高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于食品、化學(xué)、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域[1-3]。生物質(zhì)能是一種儲(chǔ)量豐富、可再生的綠色環(huán)保清潔能源[4]，將生物質(zhì)通過(guò)氣化法獲取富氫燃?xì)馐且环N非常有前景的能源轉(zhuǎn)化利用技術(shù),同時(shí)如何提高燃?xì)庵蠬2的體積分?jǐn)?shù)也引起了廣泛關(guān)注[5]。生物質(zhì)氣化根據(jù)氣化介質(zhì)的不同可以分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化以及混合氣體的氣化。與其他氣化方式相比，水蒸氣氣化具有以下優(yōu)勢(shì)[6-7]： 1)可以在氣化反應(yīng)中參與反應(yīng)，如炭與水蒸氣的還原反應(yīng)、CO的變換反應(yīng)、甲烷蒸氣重整反應(yīng)等，提高了燃?xì)庵袣錃獾暮浚?2)避免了空氣氣化時(shí)燃?xì)庵锌扇冀M分被N2稀釋?zhuān)瑥亩岣呷細(xì)鉄嶂担?3)與氧氣氣化相比，簡(jiǎn)化了氣化介質(zhì)制備裝置，減少了設(shè)備投資和運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)以木屑為原料，利用高溫固定床反應(yīng)器，進(jìn)行高溫水蒸氣氣化制取富氫燃?xì)獾难芯?，考察了氣化溫度和水蒸氣流量?duì)燃?xì)飧鹘M分體積分?jǐn)?shù)、熱值、產(chǎn)氣率等指標(biāo)的影響，探索生物質(zhì)高溫水蒸氣氣化制氫的理想工藝條件，為生物質(zhì)氣化制氫的實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。
1實(shí) 驗(yàn)
1.1材料
實(shí)驗(yàn)原料為江蘇某木材加工廠的松木屑，將木屑粉碎后過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑在0.180～0.450 mm 之間的樣品，然后在105 ℃下烘干至質(zhì)量恒定后，干燥，備用。對(duì)原料進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析和熱值分析。工業(yè)分析參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28731—2012進(jìn)行；元素分析儀器采用的是德國(guó)ELEMENTAR公司研究開(kāi)發(fā)的Elemental Vario MICRO；熱值采用德國(guó)IKA公司生產(chǎn)的IKA 200量熱儀進(jìn)行分析。元素分析結(jié)果為：C 46.73 %，H 6.54 %，O 43.47 %，N 1.71 %，S 0.95 %；工業(yè)分析結(jié)果為：揮發(fā)分 84.10 %，固定碳 15.33 %，灰分 0.54 %，含水率 8.42 %；熱值 18.85 MJ/kg。
1.2實(shí)驗(yàn)裝置
高溫固定床反應(yīng)器主要由4部分組成，即固定床反應(yīng)器、水蒸氣發(fā)生系統(tǒng)、冷凝吸收裝置和氣體收集與分析裝置[8]。所用的固定床反應(yīng)器采用管式爐進(jìn)行加熱，最高工作溫度可達(dá)1 100 ℃，能夠維持反應(yīng)所需要的恒溫條件。水蒸氣發(fā)生系統(tǒng)主要由恒流泵、換熱管和電加熱套組成，水被加熱為水蒸氣，然后通過(guò)恒流泵控制并計(jì)量流量。冷凝吸收裝置是由2個(gè)內(nèi)徑為25 mm的U型管組成的二級(jí)冷凝器, 在U型管中放入二氯甲烷，將其置于冰水浴中，可以有效的冷卻燃?xì)夂臀杖細(xì)庵械慕褂偷瓤赡越M分。氣體分析裝置采用日本島津公司生產(chǎn)的GC-2014氣相色譜儀，檢測(cè)器由熱導(dǎo)檢測(cè)器和氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)組成，采用標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)照法和峰面積單點(diǎn)外標(biāo)法對(duì)氣體進(jìn)行定性和定量分析。
1.3實(shí)驗(yàn)方法
1.3.1木屑水蒸氣氣化反應(yīng)過(guò)程生物質(zhì)原料在高溫下，主要發(fā)生以下2步反應(yīng)[9]。第一步木屑發(fā)生熱裂解反應(yīng)(1)，反應(yīng)過(guò)程中揮發(fā)分析出，同時(shí)伴隨著部分揮發(fā)分與炭的裂解重整反應(yīng)和氣化反應(yīng)。第二步是CO、CO2、CH4、H2與其它碳?xì)浠衔锏纳蒣10]，主要包括CO與水蒸氣的反應(yīng)(2)、焦油的高溫裂解反應(yīng)(3)、水蒸氣與炭的還原反應(yīng)(4)、甲烷與水蒸氣的重整反應(yīng)(5)、甲烷化反應(yīng)(6)以及其它碳?xì)浠衔锼魵庵卣磻?yīng)(7)[11-14]。
CxHyOz→aH2+bCO +cCO2+dCH4+eCnHm+fH2O
(1)
CO+H2O→CO2+H2
(2)
焦油→CO2+CO+H2+CH4+CnHm
(3)
C+H2O→CO+H2
(4)
CH4+H2O→CO+3H2
(5)
C+2H2→CH4
(6)
CnHm+2nH2O→(2n+m/2)H2+nCO2
(7)
1.3.2實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先打開(kāi)氮?dú)獯祾叻磻?yīng)器，以排除反應(yīng)器中的空氣并檢查裝置的氣密性，吹掃完畢關(guān)閉氮?dú)?，待?shí)驗(yàn)。設(shè)定管式爐的升溫速率10 ℃/min，待爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)升至目標(biāo)溫度后，打開(kāi)恒流泵和水蒸氣發(fā)生器，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，把裝有3 g木屑樣品的石英舟迅速推入管式爐中，氣化30 min使樣品充分反應(yīng)，用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量氣化過(guò)程中產(chǎn)氣的流量，并用鋁箔樣品袋收集不可冷凝氣體。最后將收集到的氣體用氣相色譜儀進(jìn)行分析。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。
1.4氣化燃?xì)獾姆治鲈u(píng)價(jià)
1.4.1燃?xì)鉄嶂禋怏w熱值是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，其中可燃物熱值的總和。生物質(zhì)氣化燃?xì)庵械目扇冀M分主要是H2、CO、CH4和其他碳?xì)浠衔?CnHm)。低位熱值(QLHV)的計(jì)算公式[15]為：
QLHV=(xCO×126.36+xH2×107.98+xCH4×358.18+xCHnm×629.09)/1 000
式中：QLHV—燃?xì)獾牡臀粺嶂担琈J/m3；xCO、xH2、xCH4、xCHnm——CO、H2、CH4以及CnHm的體積分?jǐn)?shù)，以氣相色譜儀測(cè)到的各氣體占除去N2和O2后剩余氣體的體積分?jǐn)?shù)計(jì)，%。
1.4.2產(chǎn)氣率產(chǎn)氣率是評(píng)價(jià)生物質(zhì)氣化效率的一個(gè)重要指標(biāo)[16]，指每1 kg生物質(zhì)原料氣化后所得合成氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，產(chǎn)氣率分為干產(chǎn)氣率(絕干氣)和濕產(chǎn)氣率(包括水分在內(nèi))。本研究評(píng)價(jià)的產(chǎn)氣率指干產(chǎn)氣率，單位為L(zhǎng)/g。
2結(jié)果與討論
2.1溫度對(duì)水蒸氣氣化的影響
氣化溫度對(duì)木屑水蒸氣氣化特性具有很大影響。以3 g木屑為原料，控制水蒸氣流量為1.033 g/min,分別在750 、800 、850 、900 、950 和1 000 ℃下進(jìn)行氣化，考察了溫度對(duì)燃?xì)飧鹘M分體積分?jǐn)?shù)、產(chǎn)氣率及熱值的影響。
2.1.1燃?xì)饨M成水蒸氣氣化燃?xì)庵饕蒆2、CO、CO2、CH4和少量碳?xì)浠衔锝M成，不同溫度下各組分的體積分?jǐn)?shù)如表1所示。表1結(jié)果表明，隨著溫度由750 ℃升高到1 000 ℃，H2的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加；CO的體積分?jǐn)?shù)先減小后增加；CO2體積分?jǐn)?shù)先增大后減??；而CH4體積分?jǐn)?shù)隨溫度的升高而降低。這是因?yàn)榉磻?yīng)(1)～(5)都是吸熱反應(yīng)，升高溫度使反應(yīng)加強(qiáng)[17]，因此，H2含量增加，CH4含量減少。
表 1 反應(yīng)溫度對(duì)木屑水蒸氣氣化燃?xì)饨M分的影響
2.1.2燃?xì)鉄嶂等細(xì)鉄嶂捣譃楦呶粺嶂岛偷臀粺嶂祪煞N，兩者的差別是燃?xì)庵兴魵獾臍饣瘽摕?。在燃?xì)獾睦鋮s過(guò)程和燃?xì)馊紵褂煤?，水蒸氣的氣化潛熱無(wú)法利用，所以實(shí)際生產(chǎn)用的是低位熱值[17]。圖1(a)為氣化溫度對(duì)熱值的影響。由圖中可以看出，隨著溫度的升高，燃?xì)鉄嶂禍p小，變化范圍是11.61～12.64 MJ/m3，這主要是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，雖然H2的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，但是CH4、CO和CnHm的體積分?jǐn)?shù)減小，且與H2相比，其對(duì)熱值的貢獻(xiàn)較大，所以總的來(lái)說(shuō)，燃?xì)鉄嶂禍p小[18-19]。在900 ℃以后，熱值的變化趨勢(shì)趨緩，可能因?yàn)榇藭r(shí)木屑已基本氣化完全。所以，高溫對(duì)制備高熱值燃?xì)馐遣焕?，但是溫度太低時(shí)，木屑?xì)饣实?，不能?shí)現(xiàn)原料的全部利用。
2.1.3產(chǎn)氣率圖1(b)為氣化溫度對(duì)產(chǎn)氣率的影響。
圖 1 反應(yīng)溫度對(duì)木屑水蒸氣氣化產(chǎn)氣熱值(a)和產(chǎn)率(b)的影響
由圖中可以看出，木屑水蒸氣氣化反應(yīng)活性很高，隨著溫度的升高，氣體產(chǎn)率從1.11 L/g增加到2.20 L/g，變化趨勢(shì)較大，其原因可以歸納為以下2方面[20]：1)反應(yīng)開(kāi)始主要發(fā)生的是生物質(zhì)在高溫下快速裂解的反應(yīng)，在這一階段產(chǎn)生很多氣體；2)在氣化反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)(1)～(5)和(7)均為吸熱反應(yīng)，提高溫度，有利于這些反應(yīng)的進(jìn)行，所以氣體產(chǎn)率提高。然而900 ℃后產(chǎn)氣率的增加趨于平緩，這是因?yàn)樵显谌绱烁叩臏囟认乱淹耆磻?yīng)，再升高溫度對(duì)產(chǎn)氣率的影響并不是很大了。
由以上分析可知，H2的體積分?jǐn)?shù)和產(chǎn)氣率隨著溫度的升高逐漸增大，但是燃?xì)鉄嶂惦S著溫度的升高有明顯降低的趨勢(shì)，綜合考慮溫度對(duì)燃?xì)庵蠬2體積分?jǐn)?shù)、熱值和產(chǎn)氣率的影響，900 ℃以后，H2的體積分?jǐn)?shù)和產(chǎn)氣率增長(zhǎng)趨勢(shì)和熱值的減小趨勢(shì)趨于平緩，所以溫度過(guò)高時(shí)，對(duì)制備高熱值燃?xì)馐遣焕?，而且溫度高?00 ℃時(shí)，燃?xì)庵蠬2的體積分?jǐn)?shù)變化不大，且此時(shí)木屑已經(jīng)基本氣化完全，所以900 ℃是木屑進(jìn)行高溫氣化制備富氫燃?xì)獗容^適宜的溫度。
2.2水蒸氣流量對(duì)水蒸氣氣化的影響
水蒸氣作為木屑水蒸氣氣化的氣化劑，對(duì)反應(yīng)特性有很大影響。在氣化溫度為900 ℃，水蒸氣流量為0.290、0.686、0.859、1.033和1.409 g/min下，考察了水蒸氣流量對(duì)燃?xì)飧鹘M分體積分?jǐn)?shù)、產(chǎn)氣率和熱值的影響。
2.2.1燃?xì)饨M成不同水蒸氣流量下的氣化燃?xì)饨M分如表2所示。由表2可以看出，H2體積分?jǐn)?shù)隨著水蒸氣流量的增大而增加，當(dāng)水蒸氣的流量為1.409 g/min時(shí)，H2的體積分?jǐn)?shù)最大，為46.06 %，同時(shí)燃?xì)饨M分中CO、CH4和CnHm的體積分?jǐn)?shù)降低。Sylvain等[21]在流化床進(jìn)行的生物質(zhì)水蒸氣氣化研究表明，水蒸氣流量的增大使碳?xì)浠衔锏乃魵庵卣磻?yīng)占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致產(chǎn)氣中各組分含量的降低，本研究與該結(jié)果相近。
表 2 水蒸氣流量對(duì)木屑水蒸氣氣化燃?xì)饨M分的影響
2.2.2燃?xì)鉄嶂祱D2(a)為900 ℃時(shí)，不同水蒸氣流量下的氣化燃?xì)獾臀粺嶂?。由圖可以看出，隨著水蒸氣流量的增大，燃?xì)鉄嶂抵饾u減小，這是由于水蒸氣流量的增大使燃?xì)庵蠬2的體積分?jǐn)?shù)增大，而CH4、CO和CnHm的體積分?jǐn)?shù)減小，且在熱值中貢獻(xiàn)較大，即H2體積分?jǐn)?shù)的增加彌補(bǔ)不了由于CH4、CO和CnHm體積分?jǐn)?shù)的減小對(duì)熱值降低量，所以熱值隨水蒸氣流量增大而減小。
2.2.3產(chǎn)氣率圖2(b)為不同水蒸氣流量下的產(chǎn)氣率。由圖可以看出，產(chǎn)氣率隨著水蒸氣流量的增大而提高，因?yàn)樵谒魵鈿饣^(guò)程中，水蒸氣參與了CO與水蒸氣的反應(yīng)，CH4水蒸氣重整和碳?xì)浠衔锼魵庵卣确磻?yīng)，增大水蒸氣流量促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，提高了氣體產(chǎn)率。然而水蒸氣流量大于1.033 g/min后，產(chǎn)氣率的變化趨緩，說(shuō)明引入的水蒸氣已經(jīng)過(guò)量，部分水蒸氣沒(méi)有參與反應(yīng)。
圖 2 水蒸氣流量對(duì)木屑水蒸氣氣化產(chǎn)氣熱值(a)和產(chǎn)率(b)的影響
綜合考慮水蒸氣流量對(duì)木屑水蒸氣氣化燃?xì)饨M分中H2的體積分?jǐn)?shù)、熱值和產(chǎn)氣率可以看出，隨著水蒸氣流量的增大，H2體積分?jǐn)?shù)和產(chǎn)氣率增大，但是燃?xì)鉄嶂到档?，而且水蒸氣流量?.033 g/min增大為1.409 g/min時(shí)，H2的體積分?jǐn)?shù)增大趨勢(shì)較小，另外，水蒸氣引入量越多就意味著需要消耗更多的能量將水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，同時(shí)，燃?xì)獾漠a(chǎn)氣率也在水蒸氣的流量為1.033 g/min時(shí)變化趨于緩慢，由此可得木屑在900 ℃氣化時(shí)，水蒸氣的最佳引入量為1.033 g/min。
3結(jié) 論
3.1以木屑為原料，利用高溫固定床反應(yīng)器進(jìn)行了高溫水蒸氣氣化制取富燃?xì)錃獾膶?shí)驗(yàn)，研究了氣化溫度和水蒸氣流量對(duì)氣化的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，H2的體積分?jǐn)?shù)和產(chǎn)氣率都增加，但當(dāng)溫度超過(guò)900 ℃時(shí)，H2含量增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平緩；燃?xì)鉄嶂惦S著溫度的升高，呈減小趨勢(shì)，因此，過(guò)高的溫度對(duì)于制備高熱值燃?xì)馐遣焕摹ｋS著水蒸氣流量的增加，H2體積分?jǐn)?shù)增大，CO含量顯著減少，CO2、CH4和CnHm的體積分?jǐn)?shù)降低，但變化不大；燃?xì)鉄嶂抵饾u減小。
3.2原料量為3 g時(shí)，水蒸氣氣化的最適條件為氣化溫度900 ℃，水蒸氣流量1.033 g/min，在該條件下，所制得的氣化燃?xì)庵蠬2體積分?jǐn)?shù)45.74 %，熱值11.69 MJ/m3，產(chǎn)氣率1.96 L/g。
參考文獻(xiàn)：
[1]毛宗強(qiáng). 氫能-21世紀(jì)的綠色能源[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.
[2]呂鵬梅,熊祖鴻,王鐵軍,等. 生物質(zhì)流化床氣化制取富氫燃?xì)獾难芯縖J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2003,24(6):758-764.
[3] MOHAMMED M A A,SALMIATON A. Air gasification of empty fruit bunch for hydrogen-rich gas production in a fluidized-bed reactor[J]. Energy Conversion and Management,2011,52(2):1555-1561.
[4] CHEN G, ANDRIES J, SPLIETHOFF H. Catalytic pyrolysis of biomass for hydrogen rich fuel gas production[J]. Energy Conversion and Management,2003,44(14):2289-96.
[5]LI Shi-guang,XU Shao-ping,LIU Shu-qin,et al. Fast pyrolysis of biomass in free-fall reactor for hydrogen-rich gas[J]. Fuel Processing Technology,2004,85(8/9/10):1201-1211.
[6] SCHUSTER G,LOFFLER G, WEIGL K,et al. Biomass steam gasification:An extensive parametric modeling study[J]. Bioresource Technology,2001,77(1):71-79.
[7]吳創(chuàng)之,馬隆龍. 生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)[M]. 北京工業(yè)出版社,2003.
[8]李琳娜. 木屑高溫水蒸氣氣化制備富氫燃?xì)獾奶匦匝芯縖J]. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2011,31(5):18-24.
[9]SKOULOU V,SWIDERSKI A,YANG W,et al. Process characteristics and products of olive kernel high temperature steam gasification (HTSG)[J]. Bioresource Technology,2009,100(8):2444-2451.
[10]JASON H,IBRAHIM D. Parametric analysis and assessment of a coal gasification plant for hydrogen production[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2014,39(7):3294-3303.
[11]辛善志,張尤華,許慶,等. 利水蒸氣氣氛下生物質(zhì)熱解制取富氫氣體試驗(yàn)研究[J]. 可再生能源,2009,27(6):28-34.
[12]Lü Peng-mei,YUAN Zhen-hong,MA Long-long,et al. Hydrogen-rich gas production from biomass air and oxygen/steam gasification in a downdraft gasifier[J]. Renewable Energy ,2007,32(13): 2173-2185.
[13]FENG Yan,LUO Si-yi,HU Zhi-quan,et al. Hydrogen-rich gas production by steam gasification of char from biomass fast pyrolysis in a fixed-bed reactor:Influence of temperature and steam on hydrogen yield and syngas composition[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(19):10212-10217.
[14]涂軍令,應(yīng)浩,蔣劍春,等. 反應(yīng)溫度對(duì)木屑炭水蒸氣氣化產(chǎn)物的影響[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2012,30(11):199-204.
[15]趙先國(guó),常杰,呂鵬梅,等. 生物質(zhì)流化床富氧氣化的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 燃燒化學(xué)學(xué)報(bào),2005,33(2):199-203.
[16]馬承榮,肖波,陳英明,等. 生物質(zhì)氣化制取富氫燃?xì)獾膶?shí)驗(yàn)研究[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù),2007,13(5):461-467.
[17] KARMAKER M K, DATTA A B. Generation of hydrogen rich gas through fluidized bed gasification of biomass[J]. Bioresource Technology,2011,102(2):1907-1933.
[18] SAXENA R C, GOYAL H B . Thermo-chemical routes for hydrogen rich gas from biomass:A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008,12(7):1909-1927.
[19]謝玉榮,肖軍,沈來(lái)宏. 生物質(zhì)催化氣化制取富氫氣體實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2008,29(7):888-893.
[20]趙先國(guó),常杰,呂鵬梅,等. 生物質(zhì)富氧-水蒸氣氣化制氫特性研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2006,27(7):677-681.
[21]SYLVAIN F,BEHESHTI S M. An experimental study on hydrogen-rich gas production via steam gasification of biomass in a research-scale fluidized bed[J]. Energy Conversion and Management,2015,91(2):427-432.
Steam Gasification of Sawdust for Production of Hydrogen-rich Gas
SUN Ning， YING Hao， XU Wei, SUN Yun-juan， XU Yu, JIA Shuang
(Institute of Chemical Industry of Forest Products，CAF；National Engineering Lab. for Biomass Chemical Utilization；Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering,SFA;Key Lab. of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province, Nanjing 210042， China)
Abstract：Steam gasification experiments of sawdust for the production of hydrogen-rich gas were carried out on the high-temperature fixed bed reactor.The effects of temperature (750 - 1 000 ℃) and steam flow rate (0.290 - 1.409 g/min) on the gas volume fraction,low heating value (QLHV) of the gas and gas yield were investigated .The results showed that different temperatures and steam flow rates had great influences on the gas volume fraction. Increasing reactor temperature and introducing appropriate steam were beneficial to the production of hydrogen. However,the heating value of product was decreased with the increasing amount of steam at high temperature.Taking influence of various aspects into consideration,the optimal gasification conditions were the flow rate of steam 1.033 g/min and 900 ℃.At these conditions,the hydrogen content was 45.74 %,the QLHVof the gas was 11.69 MJ/m3 and the dry gas yield was 1.96 L/g.
Key words：biomass;steam gasification;high temperature;hydrogen-rich gas
doi:10.3969/j.issn.1673-5854.2016.02.006
收稿日期：2015-10-12
基金項(xiàng)目：引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2014-4-32)；林業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣項(xiàng)目([2015]31)
作者簡(jiǎn)介：孫 寧(1991— )，女，山東德州人，碩士生，研究方向：生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù) *通訊作者：應(yīng) 浩(1963— )，男，研究員，碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域：生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)開(kāi)發(fā)與工業(yè)應(yīng)用；E-mail：hy2478@163.com。
中圖分類(lèi)號(hào)：TQ35;TB322
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1673-5854(2016)02-0029-05
·研究報(bào)告——生物質(zhì)能源·
猜你喜歡
燒結(jié)工序降低固體燃耗節(jié)能減碳的措施中國(guó)冶金文摘(2024年2期)2024-05-20 09:54:49 生物質(zhì)化學(xué)工程(2023年5期)2023-10-09 09:41:22 高溫干旱持續(xù) 農(nóng)作物亟須“防護(hù)傘”今日農(nóng)業(yè)(2022年16期)2022-11-09 23:18:44 高溫季蔬菜要如此培“根”固本今日農(nóng)業(yè)(2022年15期)2022-09-20 06:55:48 富氫半焦氣化特性及氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究煤質(zhì)技術(shù)(2022年4期)2022-09-05 06:04:16 全球高溫環(huán)球時(shí)報(bào)(2022-06-20)2022-06-20 17:06:23 生物質(zhì)揮發(fā)分燃燒NO生成規(guī)律研究能源工程(2021年5期)2021-11-20 05:50:44 《生物質(zhì)化學(xué)工程》第九屆編委會(huì)名單生物質(zhì)化學(xué)工程(2021年1期)2021-01-26 09:22:30 《造紙與生物質(zhì)材料》（英文）2020年第3期摘要中國(guó)造紙(2020年9期)2020-10-20 05:33:36 高溫來(lái)襲，警惕寒濕作祟基層中醫(yī)藥(2018年8期)2018-11-10 05:32:06
孫 寧， 應(yīng) 浩， 徐 衛(wèi)， 孫云娟， 許 玉， 賈 爽
(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042)
孫 寧， 應(yīng) 浩*， 徐 衛(wèi)， 孫云娟， 許 玉， 賈 爽
(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042)
摘要：以木屑為原料，利用高溫固定床反應(yīng)器，通過(guò)高溫水蒸氣氣化制取富氫燃?xì)猓疾炝藲饣瘻囟?750～1 000 ℃)和水蒸氣流量(0.290～1.409 g/min)對(duì)燃?xì)庵蠬2的體積分?jǐn)?shù)、熱值、產(chǎn)氣率等指標(biāo)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同的氣化溫度和水蒸氣流量對(duì)燃?xì)飧鹘M分體積分?jǐn)?shù)有很大的影響，較高的氣化溫度和適當(dāng)?shù)乃魵庖肓坑欣跉錃獾漠a(chǎn)生，但是過(guò)高的溫度和過(guò)量水蒸氣的引入會(huì)造成燃?xì)鉄嶂到档?。綜合考慮各方面影響，水蒸氣氣化的最適條件為氣化溫度900 ℃，水蒸氣流量1.033 g/min，在該條件下，所制得的氣化燃?xì)庵蠬2體積分?jǐn)?shù)為45.74 %，熱值為11.69 MJ/m3，產(chǎn)氣率為1.96 L/g。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì);水蒸氣氣化;高溫;富氫
氫能作為一種21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉?，以其清潔無(wú)污染、熱值高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于食品、化學(xué)、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域[1-3]。生物質(zhì)能是一種儲(chǔ)量豐富、可再生的綠色環(huán)保清潔能源[4]，將生物質(zhì)通過(guò)氣化法獲取富氫燃?xì)馐且环N非常有前景的能源轉(zhuǎn)化利用技術(shù),同時(shí)如何提高燃?xì)庵蠬2的體積分?jǐn)?shù)也引起了廣泛關(guān)注[5]。生物質(zhì)氣化根據(jù)氣化介質(zhì)的不同可以分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化以及混合氣體的氣化。與其他氣化方式相比，水蒸氣氣化具有以下優(yōu)勢(shì)[6-7]： 1)可以在氣化反應(yīng)中參與反應(yīng)，如炭與水蒸氣的還原反應(yīng)、CO的變換反應(yīng)、甲烷蒸氣重整反應(yīng)等，提高了燃?xì)庵袣錃獾暮浚?2)避免了空氣氣化時(shí)燃?xì)庵锌扇冀M分被N2稀釋?zhuān)瑥亩岣呷細(xì)鉄嶂担?3)與氧氣氣化相比，簡(jiǎn)化了氣化介質(zhì)制備裝置，減少了設(shè)備投資和運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)以木屑為原料，利用高溫固定床反應(yīng)器，進(jìn)行高溫水蒸氣氣化制取富氫燃?xì)獾难芯?，考察了氣化溫度和水蒸氣流量?duì)燃?xì)飧鹘M分體積分?jǐn)?shù)、熱值、產(chǎn)氣率等指標(biāo)的影響，探索生物質(zhì)高溫水蒸氣氣化制氫的理想工藝條件，為生物質(zhì)氣化制氫的實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。
1實(shí) 驗(yàn)
1.1材料
實(shí)驗(yàn)原料為江蘇某木材加工廠的松木屑，將木屑粉碎后過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑在0.180～0.450 mm 之間的樣品，然后在105 ℃下烘干至質(zhì)量恒定后，干燥，備用。對(duì)原料進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析和熱值分析。工業(yè)分析參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28731—2012進(jìn)行；元素分析儀器采用的是德國(guó)ELEMENTAR公司研究開(kāi)發(fā)的Elemental Vario MICRO；熱值采用德國(guó)IKA公司生產(chǎn)的IKA 200量熱儀進(jìn)行分析。元素分析結(jié)果為：C 46.73 %，H 6.54 %，O 43.47 %，N 1.71 %，S 0.95 %；工業(yè)分析結(jié)果為：揮發(fā)分 84.10 %，固定碳 15.33 %，灰分 0.54 %，含水率 8.42 %；熱值 18.85 MJ/kg。
1.2實(shí)驗(yàn)裝置
高溫固定床反應(yīng)器主要由4部分組成，即固定床反應(yīng)器、水蒸氣發(fā)生系統(tǒng)、冷凝吸收裝置和氣體收集與分析裝置[8]。所用的固定床反應(yīng)器采用管式爐進(jìn)行加熱，最高工作溫度可達(dá)1 100 ℃，能夠維持反應(yīng)所需要的恒溫條件。水蒸氣發(fā)生系統(tǒng)主要由恒流泵、換熱管和電加熱套組成，水被加熱為水蒸氣，然后通過(guò)恒流泵控制并計(jì)量流量。冷凝吸收裝置是由2個(gè)內(nèi)徑為25 mm的U型管組成的二級(jí)冷凝器, 在U型管中放入二氯甲烷，將其置于冰水浴中，可以有效的冷卻燃?xì)夂臀杖細(xì)庵械慕褂偷瓤赡越M分。氣體分析裝置采用日本島津公司生產(chǎn)的GC-2014氣相色譜儀，檢測(cè)器由熱導(dǎo)檢測(cè)器和氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)組成，采用標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)照法和峰面積單點(diǎn)外標(biāo)法對(duì)氣體進(jìn)行定性和定量分析。
1.3實(shí)驗(yàn)方法
1.3.1木屑水蒸氣氣化反應(yīng)過(guò)程生物質(zhì)原料在高溫下，主要發(fā)生以下2步反應(yīng)[9]。第一步木屑發(fā)生熱裂解反應(yīng)(1)，反應(yīng)過(guò)程中揮發(fā)分析出，同時(shí)伴隨著部分揮發(fā)分與炭的裂解重整反應(yīng)和氣化反應(yīng)。第二步是CO、CO2、CH4、H2與其它碳?xì)浠衔锏纳蒣10]，主要包括CO與水蒸氣的反應(yīng)(2)、焦油的高溫裂解反應(yīng)(3)、水蒸氣與炭的還原反應(yīng)(4)、甲烷與水蒸氣的重整反應(yīng)(5)、甲烷化反應(yīng)(6)以及其它碳?xì)浠衔锼魵庵卣磻?yīng)(7)[11-14]。
CxHyOz→aH2+bCO +cCO2+dCH4+eCnHm+fH2O
(1)
CO+H2O→CO2+H2
(2)
焦油→CO2+CO+H2+CH4+CnHm
(3)
C+H2O→CO+H2
(4)
CH4+H2O→CO+3H2
(5)
C+2H2→CH4
(6)
CnHm+2nH2O→(2n+m/2)H2+nCO2
(7)
1.3.2實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先打開(kāi)氮?dú)獯祾叻磻?yīng)器，以排除反應(yīng)器中的空氣并檢查裝置的氣密性，吹掃完畢關(guān)閉氮?dú)?，待?shí)驗(yàn)。設(shè)定管式爐的升溫速率10 ℃/min，待爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)升至目標(biāo)溫度后，打開(kāi)恒流泵和水蒸氣發(fā)生器，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，把裝有3 g木屑樣品的石英舟迅速推入管式爐中，氣化30 min使樣品充分反應(yīng)，用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量氣化過(guò)程中產(chǎn)氣的流量，并用鋁箔樣品袋收集不可冷凝氣體。最后將收集到的氣體用氣相色譜儀進(jìn)行分析。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。
1.4氣化燃?xì)獾姆治鲈u(píng)價(jià)
1.4.1燃?xì)鉄嶂禋怏w熱值是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，其中可燃物熱值的總和。生物質(zhì)氣化燃?xì)庵械目扇冀M分主要是H2、CO、CH4和其他碳?xì)浠衔?CnHm)。低位熱值(QLHV)的計(jì)算公式[15]為：
QLHV=(xCO×126.36+xH2×107.98+xCH4×358.18+xCHnm×629.09)/1 000
式中：QLHV—燃?xì)獾牡臀粺嶂担琈J/m3；xCO、xH2、xCH4、xCHnm——CO、H2、CH4以及CnHm的體積分?jǐn)?shù)，以氣相色譜儀測(cè)到的各氣體占除去N2和O2后剩余氣體的體積分?jǐn)?shù)計(jì)，%。
1.4.2產(chǎn)氣率產(chǎn)氣率是評(píng)價(jià)生物質(zhì)氣化效率的一個(gè)重要指標(biāo)[16]，指每1 kg生物質(zhì)原料氣化后所得合成氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，產(chǎn)氣率分為干產(chǎn)氣率(絕干氣)和濕產(chǎn)氣率(包括水分在內(nèi))。本研究評(píng)價(jià)的產(chǎn)氣率指干產(chǎn)氣率，單位為L(zhǎng)/g。
2結(jié)果與討論
2.1溫度對(duì)水蒸氣氣化的影響
氣化溫度對(duì)木屑水蒸氣氣化特性具有很大影響。以3 g木屑為原料，控制水蒸氣流量為1.033 g/min,分別在750 、800 、850 、900 、950 和1 000 ℃下進(jìn)行氣化，考察了溫度對(duì)燃?xì)飧鹘M分體積分?jǐn)?shù)、產(chǎn)氣率及熱值的影響。
2.1.1燃?xì)饨M成水蒸氣氣化燃?xì)庵饕蒆2、CO、CO2、CH4和少量碳?xì)浠衔锝M成，不同溫度下各組分的體積分?jǐn)?shù)如表1所示。表1結(jié)果表明，隨著溫度由750 ℃升高到1 000 ℃，H2的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加；CO的體積分?jǐn)?shù)先減小后增加；CO2體積分?jǐn)?shù)先增大后減??；而CH4體積分?jǐn)?shù)隨溫度的升高而降低。這是因?yàn)榉磻?yīng)(1)～(5)都是吸熱反應(yīng)，升高溫度使反應(yīng)加強(qiáng)[17]，因此，H2含量增加，CH4含量減少。
表 1 反應(yīng)溫度對(duì)木屑水蒸氣氣化燃?xì)饨M分的影響
2.1.2燃?xì)鉄嶂等細(xì)鉄嶂捣譃楦呶粺嶂岛偷臀粺嶂祪煞N，兩者的差別是燃?xì)庵兴魵獾臍饣瘽摕?。在燃?xì)獾睦鋮s過(guò)程和燃?xì)馊紵褂煤?，水蒸氣的氣化潛熱無(wú)法利用，所以實(shí)際生產(chǎn)用的是低位熱值[17]。圖1(a)為氣化溫度對(duì)熱值的影響。由圖中可以看出，隨著溫度的升高，燃?xì)鉄嶂禍p小，變化范圍是11.61～12.64 MJ/m3，這主要是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，雖然H2的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，但是CH4、CO和CnHm的體積分?jǐn)?shù)減小，且與H2相比，其對(duì)熱值的貢獻(xiàn)較大，所以總的來(lái)說(shuō)，燃?xì)鉄嶂禍p小[18-19]。在900 ℃以后，熱值的變化趨勢(shì)趨緩，可能因?yàn)榇藭r(shí)木屑已基本氣化完全。所以，高溫對(duì)制備高熱值燃?xì)馐遣焕?，但是溫度太低時(shí)，木屑?xì)饣实?，不能?shí)現(xiàn)原料的全部利用。
2.1.3產(chǎn)氣率圖1(b)為氣化溫度對(duì)產(chǎn)氣率的影響。
圖 1 反應(yīng)溫度對(duì)木屑水蒸氣氣化產(chǎn)氣熱值(a)和產(chǎn)率(b)的影響
由圖中可以看出，木屑水蒸氣氣化反應(yīng)活性很高，隨著溫度的升高，氣體產(chǎn)率從1.11 L/g增加到2.20 L/g，變化趨勢(shì)較大，其原因可以歸納為以下2方面[20]：1)反應(yīng)開(kāi)始主要發(fā)生的是生物質(zhì)在高溫下快速裂解的反應(yīng)，在這一階段產(chǎn)生很多氣體；2)在氣化反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)(1)～(5)和(7)均為吸熱反應(yīng)，提高溫度，有利于這些反應(yīng)的進(jìn)行，所以氣體產(chǎn)率提高。然而900 ℃后產(chǎn)氣率的增加趨于平緩，這是因?yàn)樵显谌绱烁叩臏囟认乱淹耆磻?yīng)，再升高溫度對(duì)產(chǎn)氣率的影響并不是很大了。
由以上分析可知，H2的體積分?jǐn)?shù)和產(chǎn)氣率隨著溫度的升高逐漸增大，但是燃?xì)鉄嶂惦S著溫度的升高有明顯降低的趨勢(shì)，綜合考慮溫度對(duì)燃?xì)庵蠬2體積分?jǐn)?shù)、熱值和產(chǎn)氣率的影響，900 ℃以后，H2的體積分?jǐn)?shù)和產(chǎn)氣率增長(zhǎng)趨勢(shì)和熱值的減小趨勢(shì)趨于平緩，所以溫度過(guò)高時(shí)，對(duì)制備高熱值燃?xì)馐遣焕?，而且溫度高?00 ℃時(shí)，燃?xì)庵蠬2的體積分?jǐn)?shù)變化不大，且此時(shí)木屑已經(jīng)基本氣化完全，所以900 ℃是木屑進(jìn)行高溫氣化制備富氫燃?xì)獗容^適宜的溫度。
2.2水蒸氣流量對(duì)水蒸氣氣化的影響
水蒸氣作為木屑水蒸氣氣化的氣化劑，對(duì)反應(yīng)特性有很大影響。在氣化溫度為900 ℃，水蒸氣流量為0.290、0.686、0.859、1.033和1.409 g/min下，考察了水蒸氣流量對(duì)燃?xì)飧鹘M分體積分?jǐn)?shù)、產(chǎn)氣率和熱值的影響。
2.2.1燃?xì)饨M成不同水蒸氣流量下的氣化燃?xì)饨M分如表2所示。由表2可以看出，H2體積分?jǐn)?shù)隨著水蒸氣流量的增大而增加，當(dāng)水蒸氣的流量為1.409 g/min時(shí)，H2的體積分?jǐn)?shù)最大，為46.06 %，同時(shí)燃?xì)饨M分中CO、CH4和CnHm的體積分?jǐn)?shù)降低。Sylvain等[21]在流化床進(jìn)行的生物質(zhì)水蒸氣氣化研究表明，水蒸氣流量的增大使碳?xì)浠衔锏乃魵庵卣磻?yīng)占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致產(chǎn)氣中各組分含量的降低，本研究與該結(jié)果相近。
表 2 水蒸氣流量對(duì)木屑水蒸氣氣化燃?xì)饨M分的影響
2.2.2燃?xì)鉄嶂祱D2(a)為900 ℃時(shí)，不同水蒸氣流量下的氣化燃?xì)獾臀粺嶂?。由圖可以看出，隨著水蒸氣流量的增大，燃?xì)鉄嶂抵饾u減小，這是由于水蒸氣流量的增大使燃?xì)庵蠬2的體積分?jǐn)?shù)增大，而CH4、CO和CnHm的體積分?jǐn)?shù)減小，且在熱值中貢獻(xiàn)較大，即H2體積分?jǐn)?shù)的增加彌補(bǔ)不了由于CH4、CO和CnHm體積分?jǐn)?shù)的減小對(duì)熱值降低量，所以熱值隨水蒸氣流量增大而減小。
2.2.3產(chǎn)氣率圖2(b)為不同水蒸氣流量下的產(chǎn)氣率。由圖可以看出，產(chǎn)氣率隨著水蒸氣流量的增大而提高，因?yàn)樵谒魵鈿饣^(guò)程中，水蒸氣參與了CO與水蒸氣的反應(yīng)，CH4水蒸氣重整和碳?xì)浠衔锼魵庵卣确磻?yīng)，增大水蒸氣流量促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，提高了氣體產(chǎn)率。然而水蒸氣流量大于1.033 g/min后，產(chǎn)氣率的變化趨緩，說(shuō)明引入的水蒸氣已經(jīng)過(guò)量，部分水蒸氣沒(méi)有參與反應(yīng)。
圖 2 水蒸氣流量對(duì)木屑水蒸氣氣化產(chǎn)氣熱值(a)和產(chǎn)率(b)的影響
綜合考慮水蒸氣流量對(duì)木屑水蒸氣氣化燃?xì)饨M分中H2的體積分?jǐn)?shù)、熱值和產(chǎn)氣率可以看出，隨著水蒸氣流量的增大，H2體積分?jǐn)?shù)和產(chǎn)氣率增大，但是燃?xì)鉄嶂到档?，而且水蒸氣流量?.033 g/min增大為1.409 g/min時(shí)，H2的體積分?jǐn)?shù)增大趨勢(shì)較小，另外，水蒸氣引入量越多就意味著需要消耗更多的能量將水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，同時(shí)，燃?xì)獾漠a(chǎn)氣率也在水蒸氣的流量為1.033 g/min時(shí)變化趨于緩慢，由此可得木屑在900 ℃氣化時(shí)，水蒸氣的最佳引入量為1.033 g/min。
3結(jié) 論
3.1以木屑為原料，利用高溫固定床反應(yīng)器進(jìn)行了高溫水蒸氣氣化制取富燃?xì)錃獾膶?shí)驗(yàn)，研究了氣化溫度和水蒸氣流量對(duì)氣化的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，H2的體積分?jǐn)?shù)和產(chǎn)氣率都增加，但當(dāng)溫度超過(guò)900 ℃時(shí)，H2含量增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平緩；燃?xì)鉄嶂惦S著溫度的升高，呈減小趨勢(shì)，因此，過(guò)高的溫度對(duì)于制備高熱值燃?xì)馐遣焕摹ｋS著水蒸氣流量的增加，H2體積分?jǐn)?shù)增大，CO含量顯著減少，CO2、CH4和CnHm的體積分?jǐn)?shù)降低，但變化不大；燃?xì)鉄嶂抵饾u減小。
3.2原料量為3 g時(shí)，水蒸氣氣化的最適條件為氣化溫度900 ℃，水蒸氣流量1.033 g/min，在該條件下，所制得的氣化燃?xì)庵蠬2體積分?jǐn)?shù)45.74 %，熱值11.69 MJ/m3，產(chǎn)氣率1.96 L/g。
參考文獻(xiàn)：
[1]毛宗強(qiáng). 氫能-21世紀(jì)的綠色能源[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.
[2]呂鵬梅,熊祖鴻,王鐵軍,等. 生物質(zhì)流化床氣化制取富氫燃?xì)獾难芯縖J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2003,24(6):758-764.
[3] MOHAMMED M A A,SALMIATON A. Air gasification of empty fruit bunch for hydrogen-rich gas production in a fluidized-bed reactor[J]. Energy Conversion and Management,2011,52(2):1555-1561.
[4] CHEN G, ANDRIES J, SPLIETHOFF H. Catalytic pyrolysis of biomass for hydrogen rich fuel gas production[J]. Energy Conversion and Management,2003,44(14):2289-96.
[5]LI Shi-guang,XU Shao-ping,LIU Shu-qin,et al. Fast pyrolysis of biomass in free-fall reactor for hydrogen-rich gas[J]. Fuel Processing Technology,2004,85(8/9/10):1201-1211.
[6] SCHUSTER G,LOFFLER G, WEIGL K,et al. Biomass steam gasification:An extensive parametric modeling study[J]. Bioresource Technology,2001,77(1):71-79.
[7]吳創(chuàng)之,馬隆龍. 生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)[M]. 北京工業(yè)出版社,2003.
[8]李琳娜. 木屑高溫水蒸氣氣化制備富氫燃?xì)獾奶匦匝芯縖J]. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2011,31(5):18-24.
[9]SKOULOU V,SWIDERSKI A,YANG W,et al. Process characteristics and products of olive kernel high temperature steam gasification (HTSG)[J]. Bioresource Technology,2009,100(8):2444-2451.
[10]JASON H,IBRAHIM D. Parametric analysis and assessment of a coal gasification plant for hydrogen production[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2014,39(7):3294-3303.
[11]辛善志,張尤華,許慶,等. 利水蒸氣氣氛下生物質(zhì)熱解制取富氫氣體試驗(yàn)研究[J]. 可再生能源,2009,27(6):28-34.
[12]Lü Peng-mei,YUAN Zhen-hong,MA Long-long,et al. Hydrogen-rich gas production from biomass air and oxygen/steam gasification in a downdraft gasifier[J]. Renewable Energy ,2007,32(13): 2173-2185.
[13]FENG Yan,LUO Si-yi,HU Zhi-quan,et al. Hydrogen-rich gas production by steam gasification of char from biomass fast pyrolysis in a fixed-bed reactor:Influence of temperature and steam on hydrogen yield and syngas composition[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(19):10212-10217.
[14]涂軍令,應(yīng)浩,蔣劍春,等. 反應(yīng)溫度對(duì)木屑炭水蒸氣氣化產(chǎn)物的影響[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2012,30(11):199-204.
[15]趙先國(guó),常杰,呂鵬梅,等. 生物質(zhì)流化床富氧氣化的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 燃燒化學(xué)學(xué)報(bào),2005,33(2):199-203.
[16]馬承榮,肖波,陳英明,等. 生物質(zhì)氣化制取富氫燃?xì)獾膶?shí)驗(yàn)研究[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù),2007,13(5):461-467.
[17] KARMAKER M K, DATTA A B. Generation of hydrogen rich gas through fluidized bed gasification of biomass[J]. Bioresource Technology,2011,102(2):1907-1933.
[18] SAXENA R C, GOYAL H B . Thermo-chemical routes for hydrogen rich gas from biomass:A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008,12(7):1909-1927.
[19]謝玉榮,肖軍,沈來(lái)宏. 生物質(zhì)催化氣化制取富氫氣體實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2008,29(7):888-893.
[20]趙先國(guó),常杰,呂鵬梅,等. 生物質(zhì)富氧-水蒸氣氣化制氫特性研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2006,27(7):677-681.
[21]SYLVAIN F,BEHESHTI S M. An experimental study on hydrogen-rich gas production via steam gasification of biomass in a research-scale fluidized bed[J]. Energy Conversion and Management,2015,91(2):427-432.
Steam Gasification of Sawdust for Production of Hydrogen-rich Gas
SUN Ning， YING Hao， XU Wei, SUN Yun-juan， XU Yu, JIA Shuang
(Institute of Chemical Industry of Forest Products，CAF；National Engineering Lab. for Biomass Chemical Utilization；Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering,SFA;Key Lab. of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province, Nanjing 210042， China)
Abstract：Steam gasification experiments of sawdust for the production of hydrogen-rich gas were carried out on the high-temperature fixed bed reactor.The effects of temperature (750 - 1 000 ℃) and steam flow rate (0.290 - 1.409 g/min) on the gas volume fraction,low heating value (QLHV) of the gas and gas yield were investigated .The results showed that different temperatures and steam flow rates had great influences on the gas volume fraction. Increasing reactor temperature and introducing appropriate steam were beneficial to the production of hydrogen. However,the heating value of product was decreased with the increasing amount of steam at high temperature.Taking influence of various aspects into consideration,the optimal gasification conditions were the flow rate of steam 1.033 g/min and 900 ℃.At these conditions,the hydrogen content was 45.74 %,the QLHVof the gas was 11.69 MJ/m3 and the dry gas yield was 1.96 L/g.
Key words：biomass;steam gasification;high temperature;hydrogen-rich gas
doi:10.3969/j.issn.1673-5854.2016.02.006
收稿日期：2015-10-12
基金項(xiàng)目：引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2014-4-32)；林業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣項(xiàng)目([2015]31)
作者簡(jiǎn)介：孫 寧(1991— )，女，山東德州人，碩士生，研究方向：生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù) *通訊作者：應(yīng) 浩(1963— )，男，研究員，碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域：生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)開(kāi)發(fā)與工業(yè)應(yīng)用；E-mail：hy2478@163.com。
中圖分類(lèi)號(hào)：TQ35;TB322
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1673-5854(2016)02-0029-05
·研究報(bào)告——生物質(zhì)能源·
猜你喜歡
中國(guó)冶金文摘(2024年2期)2024-05-20 09:54:49
今日農(nóng)業(yè)(2022年16期)2022-11-09 23:18:44
今日農(nóng)業(yè)(2022年15期)2022-09-20 06:55:48
煤質(zhì)技術(shù)(2022年4期)2022-09-05 06:04:16
環(huán)球時(shí)報(bào)(2022-06-20)2022-06-20 17:06:23
能源工程(2021年5期)2021-11-20 05:50:44
生物質(zhì)化學(xué)工程(2021年1期)2021-01-26 09:22:30
中國(guó)造紙(2020年9期)2020-10-20 05:33:36
基層中醫(yī)藥(2018年8期)2018-11-10 05:32:06
