干餾和水蒸氣氣化2種模式下牛糞熱解產(chǎn)物特性研究.pdf

1、隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；?、集約化的發(fā)展，大量產(chǎn)生的畜禽糞便引起的環(huán)境污染已經(jīng)嚴(yán)重制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。采用炭化、氣化等熱化學(xué)方法處理畜禽糞便既可有效解決環(huán)境污染問(wèn)題，還能獲得高品質(zhì)的生物質(zhì)炭和生物燃?xì)狻，F(xiàn)有的熱解氣化裝置大多是一體式結(jié)構(gòu)，即物料的干燥脫水、裂解脫揮發(fā)分及其半焦的深度熱解、氣化重整等反應(yīng)過(guò)程在同一個(gè)反應(yīng)容器內(nèi)完成，不利于各反應(yīng)階段的精確控制。此外，氣化反應(yīng)的目標(biāo)產(chǎn)物—可燃?xì)庵薪褂秃窟^(guò)高，增加了下游凈化系統(tǒng)的復(fù)雜程度和

2、運(yùn)行成本。分段式熱解氣化技術(shù)可在時(shí)間和空間上將物料的干燥脫水、初步熱解、深度熱解或氣化重整等反應(yīng)階段分離，從而便于各反應(yīng)階段的精確調(diào)控、目標(biāo)產(chǎn)物的改性提質(zhì)以及系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能降耗。針對(duì)目前生物質(zhì)熱解裝置的通用性和靈活性較差的問(wèn)題，提出分段梯級(jí)的分布方式，實(shí)現(xiàn)熱能的梯級(jí)利用。分段式熱解工藝的關(guān)鍵是氣化方式選擇、中溫炭化段與高溫氣化段溫度點(diǎn)界限的確定以及各段生產(chǎn)能力的配備。本文研究分段熱解工藝中中溫段干餾、高溫段干餾熱解和水蒸氣氣化2種模式且

3、在不同溫度點(diǎn)通入水蒸氣的情況下牛糞熱解產(chǎn)物產(chǎn)率變化、氣相產(chǎn)物中各組分分布、氣體熱值，固相產(chǎn)物形貌特征、孔隙結(jié)構(gòu)特征的演變、礦質(zhì)元素遷移規(guī)律以及結(jié)渣特性，為分段式熱解裝置設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化提供依據(jù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)畜禽糞便的基本特性（工業(yè)分析、元素分析、礦質(zhì)元素分析）是影響熱解的重要因素，對(duì)牛糞的基本理化特性進(jìn)行全面分析，可為牛糞的熱解特性打下基礎(chǔ)并為熱解試驗(yàn)提供一定的理論依據(jù)。工業(yè)分析結(jié)果表明，與煤相比，畜禽

4、糞便與生物質(zhì)揮發(fā)分含量很高，固定碳含量低，但畜禽糞便和煤的灰分含量較生物質(zhì)高。礦質(zhì)元素分析表明，牛糞原料中Si含量最高，堿金屬則以Ca和K含量較高，其熱解利用過(guò)程中由于熔融結(jié)渣可能會(huì)影響分段式熱解過(guò)程的進(jìn)行。
　　(2)熱解條件顯著影響牛糞的熱解過(guò)程及產(chǎn)物的生成。對(duì)干餾熱解模式下不同熱解溫度和停留時(shí)間下產(chǎn)物的分布進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，熱解溫度對(duì)熱解產(chǎn)物的影響明顯大于停留時(shí)間。隨著熱解溫度的升高，氣相的產(chǎn)率明顯增大，氣相熱值明顯

5、增加。但當(dāng)溫度從800℃升高到900℃時(shí)，該變化趨勢(shì)較小。熱解停留時(shí)間為1h時(shí)，固相產(chǎn)率高，熱值低;熱解停留時(shí)間長(zhǎng)于2h時(shí)，熱解產(chǎn)物分布變化不大，但增加了系統(tǒng)能耗。
　　(3)分段式熱解工藝中高溫氣化段主要發(fā)生熱解炭、焦油、不可冷凝大分子化合物與水蒸氣等的二次裂解，該階段是否引入第一級(jí)干燥脫水后的水分、在哪一溫度下引入皆是分段式熱解工藝需要解決的問(wèn)題，因此，對(duì)牛糞在水蒸氣氣化模式下不同熱解溫度和不同水蒸氣通入起始溫度點(diǎn)下的產(chǎn)物分布

6、進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，水蒸氣氣化模式下氣相產(chǎn)率與可燃?xì)鉄嶂得黠@提高，氣相產(chǎn)物中H2所占比例顯著提高，CO和CH4有所降低，改善了生物燃?xì)獍踩眯阅堋?br>　　(4)為進(jìn)一步了解牛糞在干餾熱解和水蒸氣氣化2種模式下熱解炭的品質(zhì)，更有效的利用熱解炭，減少污染，采用SEM、XRD、XRF、壓汞儀等儀器對(duì)2種熱解模式下的熱解炭的表觀結(jié)構(gòu)、晶體化合物遷移、結(jié)渣特性、孔隙特性進(jìn)行了全面分析。研究結(jié)果表明，牛糞及其熱解炭主要含SiO2和K

7、Cl，隨著有機(jī)揮發(fā)份析出，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯地改變，水蒸氣氣化模式下固相產(chǎn)物總孔隙度明顯大于干餾熱解模式，總孔容積略高于干餾熱解，平均孔徑差異不明顯。在900℃時(shí)，水蒸氣氣化模式下的固相產(chǎn)物出現(xiàn)明顯的熔融結(jié)晶狀態(tài)，炭中存在嚴(yán)重的團(tuán)聚渣塊現(xiàn)象，渣塊堅(jiān)硬且密實(shí)，干餾熱解模式下產(chǎn)物未出現(xiàn)熔融結(jié)渣狀況，但也出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形。
　　綜合試驗(yàn)研究結(jié)果，針對(duì)本課題組提出的連續(xù)分段式熱解工藝，如果牛糞熱解利用的目的是生物燃?xì)?，在高溫?zé)峤舛螒?yīng)采用水蒸氣