热等离子体气化生物质焦油制合成气的研究

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生物质气化过程中产生的焦油不仅会腐蚀管道与设备、污染环境,并且会降低生物质气化效率。本文利用热等离子体反应温度高、能量密度大、反应活性强的特点,首次采用CO2热等离子体气化生物质焦油模型化合物及真实样品,为提高生物质气化效率并无害化处理生物质焦油提供新的可能。选取甲苯和苯作为生物质焦油的模型化合物,研究了 CO2流量和输入功率对气化过程的影响。实验结果表明,CO2热等离子体气化甲苯和苯主要气体产物为CO、H2以及少量的CO2。在甲苯进料量为9.70g/min、CO2流量为0.96Nm3/h和输入功率为12.60kW时,碳转化率可达79.74%,此时比能耗为6.17 kWh/Nm3。在苯进料量为9.88g/min、C02流量为0.96Nm3/h和输入功率为12.96kW时,碳转化率高达92.84%,此时比能耗为5.73 kWh/Nm3。通过热力学平衡计算,可以间接地判断ClO2热等离子体气化甲苯的温度在1840 K~2600 K之间,气化苯的温度在1580K~2850K之间。选取苯萘混合物作为生物质焦油的模型化合物,研究了不同ClO2流量、萘的质量分数和输入功率下的气化效果。实验结果表明,CO2热等离子体气化苯萘混合物生成气体产物主要为CO、H2以及少量的CO2。随着萘质量分数的增大,物料的气化效率下降,碳转化率和气体收率逐渐减小,合成气的比能耗逐渐增大。在苯萘混合物进料量为9.8 g/min、萘质量浓度为10.2%的苯萘混合物、CO2流量为0.96Nm3/h和输入功率为14.73 kW时,碳转化率高达90.92%,此时比能耗为6.87kWh/Nm3。通过对苯萘混合物进行热力学平衡计算,可以推断CO2热等离子体气化苯萘混合物的温度在1500K~3034 K之间。分析了生物质焦油真实样品的理化性质,研究了不同CO2流量、输入功率和原料含水率对生物质焦油-苯混合物气化过程的影响。实验结果表明,生物质焦油含水率为74.2%,其组分中萘相对含量最高,高达31.52%。综合考虑H2和CO产量及比能耗,CO2气化焦油-苯混合物的最佳条件是在C02流量为0.69Nm3/h、输入功率为11.95 kW时,此时H2和CO产量最大值分别为62.71 g/kg和754.03 g/kg,比能耗为7.63kWh/Nm3。混合物中的水在一定程度上能促进气化反应的进行,但过多的水会不利于气化反应。
致谢第5-6页
摘要第6-7页
ABSTRACT第7-8页
引言第12-14页
第一章 文献综述第14-32页
    1.1 生物质焦油简介第14-17页
        1.1.1 生物质焦油的形成与分类第14-16页
        1.1.2 生物质焦油的危害第16-17页
    1.2 生物质焦油处理技术研究进展第17-20页
        1.2.1 物理法第17-18页
        1.2.2 热化学法第18-20页
            1.2.2.1 热裂解第18-19页
            1.2.2.2 催化裂解第19-20页
    1.3 等离子体法处理生物质焦油研究进展第20-29页
        1.3.1 等离子体简介第20-22页
        1.3.2 等离子体处理生物质焦油机理第22-23页
        1.3.3 冷等离子体裂解焦油第23-28页
        1.3.4 热等离子体裂解焦油第28-29页
    1.4 本文研究思路与工作内容第29-32页
第二章 热等离子体气化甲苯和苯制合成气第32-60页
    2.1 实验材料及装置第32-35页
        2.1.1 实验材料及仪器第32-33页
        2.1.2 实验装置及流程第33-35页
    2.2 实验数据处理方法第35-37页
    2.3 实验结果与讨论第37-57页
        2.3.1 CO_2热等离子体气化甲苯第37-47页
            2.3.1.1 模型化合物的选择第37页
            2.3.1.2 CO_2流量的影响第37-42页
            2.3.1.3 输入功率的影响第42-46页
            2.3.1.4 热力学平衡计算结果第46-47页
        2.3.2 CO_2热等离子体气化苯第47-56页
            2.3.2.1 模型化合物的选择第47-48页
            2.3.2.2 CO_2流量的影响第48-52页
            2.3.2.3 输入功率的影响第52-55页
            2.3.2.4 热力学平衡计算结果第55-56页
        2.3.3 甲苯和苯气化实验结果的比较第56-57页
    2.4 本章小结第57-60页
第三章 热等离子体气化苯萘混合物制合成气第60-76页
    3.1 实验材料及装置第60页
        3.1.1 实验材料及仪器第60页
        3.1.2 实验装置及流程第60页
    3.2 实验数据处理方法第60-61页
    3.3 实验结果与讨论第61-73页
        3.3.1 模型化合物的选择第61页
        3.3.2 CO_2流量的影响第61-64页
        3.3.3 萘质量分数的影响第64-70页
        3.3.4 输入功率的影响第70-72页
        3.3.5 热力学平衡计算结果第72-73页
    3.4 苯萘混合物与苯实验结果对比第73-74页
    3.5 本章小结第74-76页
第四章 热等离子体气化生物质焦油制合成气第76-96页
    4.1 实验材料及装置第76-77页
        4.1.1 实验材料及仪器第76-77页
        4.1.2 实验装置及流程第77页
    4.2 生物质焦油理化分析方法第77-78页
    4.3 实验数据处理方法第78-79页
    4.4 结果与讨论第79-93页
        4.4.1 生物质焦油理化性质第79-83页
        4.4.2 CO_2流量的影响第83-85页
        4.4.3 输入功率的影响第85-87页
        4.4.4 含水率的影响第87-93页
    4.5 生物质焦油混合物与苯实验结果对比第93-94页
    4.6 本章小结第94-96页
第五章 结论与展望第96-98页
    5.1 结论第96-97页
    5.2 展望第97-98页
参考文献第98-106页
作者简历及硕士期间获得的研究成果第106页
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