用於生物質分解成小分子氣體的定向熱力學轉化的工藝方法
2023-04-26 14:36:56 1
專利名稱：用於生物質分解成小分子氣體的定向熱力學轉化的工藝方法
技術領域：
本發明涉及可再生潔淨能源，確切的說是可再生的生物質高效潔淨地轉化成潔淨能源的工藝方法。
背景技術：
我國需要的石油已依賴進口，隨著國民經濟的進一步發展，國家面臨巨大的能源壓力。此外，為了保護生態系統，降低溫室效應，也必須儘量減少使用化石能源。研究將太陽能儲備最豐富的可再生的生物質高效潔淨地轉化成潔淨能源，實現能源結構地多元化，對於推動可持續發展，保障國家能源安全，具有重要意義。
採取熱化學方法，使用流化床氣化爐[圖1]對生物質進行氣化，是潔淨轉化生物質能源的一條重要途徑。美國等發達國家從20世紀60年代開始集中研究這種方法，希望通過精細控制的乾餾和裂解，把木材或秸稈等植物生物質分解成小分子量的化合物，再通過定向的化學反應，轉化成CO和H2(合成氣)。目前，中科院廣州能源所和中國科大生物質潔淨能源實驗室均已開始這方面的試驗研究，山東省、吉林省部分農村地區已經開始使用氣化爐。
其中，定向的化學反應是問題的關鍵所在，至今尚未做到很好控制。試驗中的摸索一直在進行，但進行試驗耗費大量的時間、精力和金錢，試驗中各種微小的誤差也極大地影響對結果的規律性分析。很多專家開始進行理論分析和數值模擬，Purdy等在1981年針對平滑流化床提出了動態全混模型[1]，Daniele Fiaschi與Marco Michelini提出一個改進後的鼓泡流化床的生物質氣化模型[2]，Sadaka提出了騰湧流化床模型的理論基礎[3-7]。我國在該領域的研究相比國際水平而言，尚屬空白[8]。
發明內容
流化床的種類很多[圖2]，多數研究者的模擬方法都僅僅面向某一種流化床，適用範圍很窄。而且由於生物質氣化技術剛剛起步，試驗數據缺少的緣故，這些方法的正確性均未得到證實。此外，這些方法均面向專業人士開發，需要較深的數學、物理、化學、流體力學等方面的知識才能掌握，對於大多數工程操作者而言，不具備任何實用價值，僅僅停留在虛擬計算的層面。
本發明總結各種流化床氣化爐共性，可以面向所有流化床氣化爐使用。通過檢測，本方法對工業生產的模擬結果與實際結果吻合很好[9]，說明了它的正確性與合理性。
本方法對於定向氣化，提出了有價值的方向性意見。通過本方法，流化床氣化爐的操作人員可以檢驗結果、預測結果、指導反應，進而實現定向氣化。實現定向氣化後，即可將合成氣轉化為甲醇、燃料電池等，具有巨大的商業價值，對於我國能源結構調整有巨大意義，使得石油不再成為必需品。
目前，國內尚無此類方法，本方法具有獨創性。
本發明的技術方案如下由於流化床氣化爐系統非常複雜，對爐內生物質氣化過程進行模擬是一項困難的工作。完全地反映出反應爐內的實際情況，需要考慮到渦流、異相反應、生物質顆粒在爐內的分布以及由於爐體的不規則結構帶來的複雜的幾何問題，這使得模型求解需要解大量的非線性耦合偏微分方程。目前國際上尚無得到普遍認可的模型，主要是因為缺乏足夠的實驗數據來證實，不同的研究者關注的細節也有所不同[10-13]。本發明主要是對於生物質氣化的整體過程進行考慮，從進料口進入氣化爐開始，到氣化爐內反應，直至得到產氣。
氣化爐內反應複雜，假設一個合理的反應流程非常必要。在本模型中，整個反應流程被虛擬分為四個區。
3.1乾燥區在本區中，生物質被加熱脫水乾燥。乾燥後的生物質和水蒸氣將參加下一個區的反應。以下反應式可以用來描述這個區的反應
3.2熱解區在本區中，已乾燥的生物質被高溫分解為CO、H2、焦碳、焦油等物質。焦炭參加燃燒區的反應，CO和H2參加氣化區的反應。焦油被認為不再參加反應，並將在反應結束後被取出氣化爐。以下反應式可以用來描述這個區的反應
3.3燃燒區在本區中，焦炭與O2進行反應。假設在本區中進行的是完全燃燒，為全爐的繼續反應提供熱量。如有殘餘的未反應的焦炭，將會繼續參與氣化區的反應。以下反應式可以用來描述這個區的反應
1atm,1073K,rHm,1073KO=-3.376105J/mol[14]]]>3.4氣化區燃燒區中殘存的焦炭在本區中與水蒸氣進行反應。CO和水蒸氣也將進行反應，並達到平衡，平衡時各氣體的量就是最終產氣的量。以下反應式可以用來描述這個區的反應
1atm,1073K,rHm,1073KO=2.205105J/mol]]>反應平衡常數lnKa＝-1.48+5.286×106T-2-1.078×104T-1-4.658×10-4T+0.0505lnT
1atm,1073K,rHm,1073KO=-560J/mol]]>反應平衡常數Ka＝(1.303×10-6T+7.17×10-4)T-1.3006通過對這四個區的分析計算，本方法可以適用於生物質元素組分、空氣和水蒸氣的輸入速率以及爐內反應溫度等7個反應條件的變換和選取，預測反應結果，得到15個需要獲得的值，如產氣各組分的量、產氣和焦油的熱值等。
本發明優點本發明具有普適性強、上手快、實用價值大的優點。
普適性強本發明尋找了各種流化床氣化爐的共性，採取「四區域法」，使用本方法適用於各種流化床。
上手快本方法將複雜的物理化學過程、耦合偏微分方程計算等設置在後臺，滿足專家需要；而採取簡單形象的界面，滿足多數使用者需要，他們僅需直接輸入初始條件，即可預測反應結果，並根據需要的結果來反推反應的初始要求。
實用價值大正因為本方法不僅具有普適性、上手快的優點，而且預測結果與試驗結構吻合很好，它既可以用來檢驗實驗操作的結果，檢查是否有操作失誤；又可以預測各種操作條件下，可能的生產結果；進而對工業生產起到指導作用，使得操作人員可以根據自己的需要，提前設置合理的反應條件。
圖1為流化床氣化爐的結構示意圖，圖2為各類流化床氣化爐爐內組成的示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，對本發明做進一步的說明。
實施例對於燃燒木屑，每小時通入流化床氣化爐100千克，含水量10％，則通入空氣24升/小時，水蒸氣240千克/小時，使得氣化爐內燃燒溫度達到800攝氏度，產氣熱值約3.6兆焦/立方米，產氣中氫氣量與一氧化碳量比值達2∶1，滿足催化合成的要求。通過本方法，可以實現定向氣化。
參考文獻[1]Mark J.Purdy，Riched M.Felder，James K.Ferrell，Ind.Eng.Chem.ProcessDes.Dev.，1981，20675[2]Daniele Fiaschi，Marco Michelini，Biomass and Bioenergy，2001，21121[3]Sadaka Samy S.，Ghaly A.E.，Sabbah M.A.，Biomass and Bioenergy，2002，22439[4]Sadaka Samy S.，Ghaly A.E.，Sabbah M.A.，Biomass and Bioenergy，2002，22463[5]Sadaka Samy S.，Ghaly A.E.，Sabbah M.A.，Biomass and Bioenerg，2002，22479[6]Mori S.，Nomura S.，Kurita M.，et al.InProc.Fourth Int Conf on Fluidization(Ed.Kunii D and Toei R.)Engineering Feundation.New York，1983639[7]Alexandre M.S.Costa，Marcio L de Souza-Santos，Power Technology，1999，103110[8]Zhou Mi，Yan Lifeng，Guo Qingxiang，Zhu Qingshi，An Important Topic inBiomass Clean EnergyDynamics Models of Fluidized Beds，Chinese Journal ofChemical Physics，2003，10350[9]Zhou Mi，Yan Lifeng，Wang Yiqun，Guo Qingxiang，Zhu Qingshi，Gasification Modeling of Biomass to Regenerative Energy，Chinese Journal ofChemical Physics，accepted[10]Fiaschi，D.，Michelini，M.，「A two-phase one-dimensional biomassgasification kinetics model」，Biomass and Bioenergy，2001，21121[11]Blasi，C.，「Dynamic behaviour of stratified downdraft gasifiers」，ChemicalEngineering Science，2000，552931[12]Costa，A.，Souza-Santos，M.，「Studies on the mathematical modelling ofcirculation rates of particles in bubbling fluidized beds」，Powder Technology，1999，103110[13]Witt，PJ.，Perry，J.H.，Schwarz，M.P，「A numerica1 model for predictingbubble formation in a 3D fluidized bed」，Applied Mathematical Modelling，1998，221071[14]Robert H.Perry，Don W.Green，Perry’s Chemical Engineers』Handbook，The McGRAW-HILL Companies，ING.，New York，1999
權利要求
1.用於生物質分解成小分子氣體的定向熱化學轉化的工藝方法，其特徵在於本發明的技術方案如下由於流化床氣化爐系統非常複雜，對爐內生物質氣化過程進行模擬是一項困難的工作。完全地反映出反應爐內的實際情況，需要考慮到渦流、異相反應、生物質顆粒在爐內的分布以及由於爐體的不規則結構帶來的複雜的幾何問題，這使得模型求解需要解大量的非線性耦合偏微分方程。目前國際上尚無得到普遍認可的模型，主要是因為缺乏足夠的實驗數據來證實，不同的研究者關注的細節也有所不同[10-13]。本發明主要是對於生物質氣化的整體過程進行考慮，從進料口進入氣化爐開始，到氣化爐內反應，直至得到產氣。氣化爐內反應複雜，假設一個合理的反應流程非常必要。在本模型中，整個反應流程被虛擬分為四個區。乾燥區在本區中，生物質被加熱脫水乾燥。乾燥後的生物質和水蒸氣將參加下一個區的反應。以下反應式可以用來描述這個區的反應熱解區在本區中，已乾燥的生物質被高溫分解為CO、H2、焦碳、焦油等物質。焦炭參加燃燒區的反應，CO和H2參加氣化區的反應。焦油被認為不再參加反應，並將在反應結束後被取出氣化爐。以下反應式可以用來描述這個區的反應燃燒區在本區中，焦炭與O2進行反應。假設在本區中進行的是完全燃燒，為全爐的繼續反應提供熱量。如有殘餘的未反應的焦炭，將會繼續參與氣化區的反應。以下反應式可以用來描述這個區的反應1atm，1073K，rHm,1073KO=-3.376105J/mol[14]]]>氣化區燃燒區中殘存的焦炭在本區中與水蒸氣進行反應。CO和水蒸氣也將進行反應，並達到平衡，平衡時各氣體的量就是最終產氣的量。以下反應式可以用來描述這個區的反應C+H2OΦCO+H21atm，1073K，rHm,1073KO=2.205105J/mol]]>反應平衡常數lnKa＝-1.48+5.286×106T-2-1.078×104T-1-4.658×10-4T+0.0505lnTCO+H2OΦCO2+H21atm，1073K，rHm,1073KO=-560J/mol]]>反應平衡常數Ka＝(1.303×10-6T+7.17×10-4)T-1.3006通過對這四個區的分析計算，本方法可以適用於生物質元素組分、空氣和水蒸氣的輸入速率以及爐內反應溫度等7個反應條件的變換和選取，預測反應結果，得到15個需要獲得的值，如產氣各組分的量、產氣和焦油的熱值等。
全文摘要
本發明涉及用於生物質分解成為小分子氣體的定向熱力學轉化的工藝方法。特點是對於生物質氣化的整體過程進行考慮，從進料口進入氣化爐開始，到氣化爐內反應，直至得到產氣。本發明尋找了各種流化床氣化爐的共性，採取「四區域法」，使用本方法適用於各種流化床。本發明具有普適性強、上手快、實用價值大的優點。
文檔編號C10B53/02GK1704460SQ20041004127
公開日2005年12月7日 申請日期2004年6月1日 優先權日2004年6月1日
發明者周密 申請人:周密