在生物质能源的利用技术中,生物质热解气化技术是一种通过热化学反应将固态生物质转换为气体燃料的过程。但是传统的气化技术存在着燃气中焦油含量高、废水难以处理等问题,特别是焦油含量高是目前生物质热解气化技术面临的主要问题。目前能有效解决焦油问题方法之一是高温热裂解法,它是一种简单易行、具有工程应用前景的焦油脱除方法。本文针对生物质利用过程中焦油含量高的问题,提出了生物质热解及焦油高温热裂解的技术路线,通过实验和数值模拟,研究了生物质热解特性,分析了生物质油和焦油的热裂解特性,得到如下结果:(1)利用热重分析法研究了典型生物质稻壳、玉米秸秆和白桦木屑的热解过程,分析生物质热解的一般规律。通过比较慢速升温和快速升温条件下生物质热解过程的差异,发现热重法可以定量预测粒径小于0.2mm生物质的热解过程,能够定性描述粒径小于1mm生物质的热解过程。(2)设计研制了一种生物质热解及焦油高温热裂解实验系统,该系统将生物质热解和焦油的高温裂解分开,通过改变燃烧器的供热量和蓄热式陶瓷裂解器的截面积,来调节焦油裂解的温度环境和停留时间。实验运行结果表明本文设计的生物质热解及焦油高温热裂解系统不仅能够提供焦油裂解所需的高温温度场,而且能够准确测定焦油在此温度场的停留时间。(3)在生物质热解及焦油高温热裂解实验台上考察了裂解温度对焦油种类、热解产物、气体产物成分、焦油中化合物成分的影响以及停留时间对焦油裂解率的影响。结果表明随着温度的升高液体产物产率经历了先升高后减少的过程,温度为500℃时,液体产物产率最高,之后随着温度的提高,液体产物产率逐渐减少,当温度达到1200℃时,生物质气中焦油含量已达到11.7mg/Nm~3;当温度达到1200℃时,焦油含量中的成分主要是三环、四环的芳香族有机物,焦油种类从129种下降到18种;增加停留时间可以明显降低生物质气中的焦油含量,但当温度达到1200℃时,停留时间为0.5s时焦油量急剧下降,再增加时间则焦油量变化不明显。(4)建立了生物质热解及液体产物高温热裂解的化学反应动力学模型,该热解模型根据液体产物的特点将可凝挥发份分为生物质油和焦油。将化学反应动力学方程和能量方程耦合,通过数值模拟,分析温度、停留时间、粒径和压力等参数对生物质热解及焦油高温热裂解的影响。结果表明:热解反应的吸热效应对温度场和反应进程有较大的影响,大颗粒在靠近中心的几层在热解反应区出现一段温度近似维持恒定的水平段,在该阶段前后则是纯物质受热升温物理过程中常见的指数温升曲线,预测结果与实验值基本吻合。
