【摘 要】
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生物质作为唯一一种全生命周期内呈碳中性的清洁能源,可以作为一种理想的可再生能源。生物质热解,是一种常用的、能量利用率高且产物丰富的生物质转换手段。将聚光太阳能与生物质热解技术相结合,能大大提升生物质能与太阳能的应用潜力。本文针对聚光太阳能直接驱动微型流化床中生物质三组分热解进行了实验和模拟研究,明晰了生物质原料特性对聚光太阳能驱动热解过程的影响。主要内容如下:在反应温度为400℃,500℃,600
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目:基于聚光太阳能熔融盐反应器的生物质催化气化制合成气机理研究,2021.01-2024.12,项目编号 52076098; 国家重点研发计划:生物质热解挥发分原位重整制备轻质芳烃关键技术与工艺的开发,2019.08-2022.07,项目编号 2017YFE0124200; 深圳市国际合作研究项目:聚光太阳能驱动熔融盐蓄热耦合有机固体废弃物气化制备运输用燃料,2020.06-
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生物质作为唯一一种全生命周期内呈碳中性的清洁能源,可以作为一种理想的可再生能源。生物质热解,是一种常用的、能量利用率高且产物丰富的生物质转换手段。将聚光太阳能与生物质热解技术相结合,能大大提升生物质能与太阳能的应用潜力。本文针对聚光太阳能直接驱动微型流化床中生物质三组分热解进行了实验和模拟研究,明晰了生物质原料特性对聚光太阳能驱动热解过程的影响。主要内容如下:在反应温度为400℃,500℃,600℃,700℃,800℃,900℃下对聚光太阳能直接驱动生物质三组分的热解特性进行研究。最高生物油产率（45%）出现在纤维素600℃热解中,木质素400℃下的焦炭产率高达61.2%。热解气态产物主要由CO、CO2、H2和CH4组成。CO2的产率随温度波动不大,三组分分别稳定在15%（纤维素）、14.5%（半纤维素）、22%（木质素）。纤维素拥有最高CO产率,900℃下为36.6%。H2与CH4产率最高的均为木聚糖,最高产率（900℃）分别为3.8%和2.2%。纤维素热解生物油主要以糖类为主,400℃下热解生物油有83%为糖类,其中71.9%为左旋葡聚糖;低温下木质素的热解生物油含有77.3%的酚类,高温下则多为萘、蒽等芳香族化合物。在微型流化床反应平台上对聚光太阳能驱动生物质三组分热解反应恒温动力学进行实验与分析。常用气固反应机理函数中,对聚光太阳能直接驱动生物质三组分热解有较好拟合效果的有三种,分别为:G（3）:G（x）=［1-（1-x）1/3］~2;G（4）:G（x）=（1-2 x/3）-（1-x）2/3与G（16）:G（x）=-ln（1-x）。纤维素热解生成的CO与CO2适用于G（16）和G（4）描述,活化能为19.16k J/mol和21.06k J/mol;两种气体在木质素中的产出特性则更适合用G（16）进行描述,活化能分别为37.71、18.15k J/mol;在木聚糖更适用G（4）进行描述,活化能为29.08、33.47k J/mol,结果与实验产物分布相互验证。聚光太阳能直接驱动微型流化床反应器中测定的反应动力学更倾向于样品热解的本征反应动力学,数值更小。基于生物质三组分热解相关机理,开发了聚光太阳能直接驱动下生物质三组分热解机理颗粒模型,以及微型流化床反应器模型。并在CFD模拟中对热解模型进行验证。利用开发的热解机理模型对实验结果进行验证分析与对比研究,发现低温下纤维素热解与预测结果不符。通过对反应器尺度热解进行CFD模拟,对实验及模拟部分异常结果进行了猜想验证与补充说明,并在此基础上对反应器的设计优化提出意见。
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