煙草廢棄物熱解和氣化的實(shí)驗(yàn)及機(jī)理研究.pdf

1、眾所周知，合理開(kāi)發(fā)利用清潔的可再生能源是解決日益嚴(yán)峻的化石能源形勢(shì)和日趨惡化的生態(tài)環(huán)境的重要手段。生物質(zhì)能作為目前唯一一種可存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)目稍偕茉?，其資源化利用備受世界矚目。煙草行業(yè)是我國(guó)重要經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，卷煙加工會(huì)產(chǎn)生近30％煙草廢棄物，如何將這些廢棄物高效、清潔轉(zhuǎn)化利用，不僅對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)有著重要意義，而且有益于當(dāng)?shù)亟⒊掷m(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)。生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其能量轉(zhuǎn)化最有效的方式，尤其是熱解和氣化將其轉(zhuǎn)化為高

2、品位的氣體燃料。然而產(chǎn)品氣中的高焦油含量居高不下嚴(yán)重限制了氣化產(chǎn)品氣的應(yīng)用，生物質(zhì)的催化熱解和水蒸氣催化氣化被認(rèn)為是減少其產(chǎn)品氣中焦油含量最有效的辦法。本文以煙草廢棄物為研究對(duì)象，對(duì)其催化熱解和水蒸氣氣化技術(shù)展開(kāi)了系統(tǒng)的研究，對(duì)于揭示生物質(zhì)熱解和氣化機(jī)理具有重要的意義。
　　本文中熱解和氣化實(shí)驗(yàn)所使用的煙草廢棄物原料，由于原料的原始形狀和顆粒大小通常不一致，為了能得到不同粒徑大小的樣品，便于實(shí)驗(yàn)和分析測(cè)試，首先要對(duì)原材料進(jìn)行干燥、

3、破碎和篩分。樣品理化分析結(jié)果表明：煙草廢棄物相對(duì)煤而言有較低的固定碳含量，較高的揮發(fā)份含量。而且原料中元素N和S含量極低，灰分含量小于4%，因此，煙草廢棄物是一種環(huán)境友好的生物質(zhì)能源。同時(shí)，本文還自制了負(fù)載型納米鎳基催化劑，以納米氧化鎳為活性成分，納米氧化粉體先采用均勻沉淀法制備，再利用沉淀——沉積法將其負(fù)載到-Al2O3載體上得到NiO/-Al2O3催化劑，并利用APSP2020、SEM、EDX等手段對(duì)其進(jìn)行了表征和分析。結(jié)果表明：催

4、化劑有比較高的外表面積和比表面積，其中NiO負(fù)載量超過(guò)13wt.%，而且活性組分NiO主要集中在催化劑的表面，這種結(jié)構(gòu)有利于NiO的催化作用，同時(shí)還能節(jié)約成本。
　　利用TGA-DSC對(duì)煙草廢棄物熱解特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并分析了TG-DTG和DSC曲線了解樣品的熱失重行為和熱解特征參數(shù)，同時(shí)研究升溫速率、顆粒大小和催化劑對(duì)生物質(zhì)熱解特性的影響，還利用Doyle和Friedman兩種動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出生物質(zhì)熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)E和A。

5、結(jié)果表明：樣品的熱裂解過(guò)程分為脫水、烘焙、熱解和炭化四個(gè)階段。升溫速率的提高和催化劑對(duì)煙草廢棄物的熱解反應(yīng)速率都有顯著提高的作用。
　　采用TG-GC相結(jié)合的方法，開(kāi)展了煙草廢棄物水蒸氣催化氣化的實(shí)驗(yàn)研究，探討了以NiO和白云石為催化劑，在水蒸氣氣氛下的煙草廢棄物的揮發(fā)份析出特性，半焦的氣化特性、氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性以及催化劑對(duì)氣體產(chǎn)物特性的影響。結(jié)果表明：樣品在水蒸氣氣氛下的失重過(guò)程表現(xiàn)出明顯的“兩段性”，第一段為揮發(fā)分析出階段，

6、溫度范圍為217-357℃，水蒸氣對(duì)此階段的影響很小，可以忽略不計(jì)；第二段為水蒸氣與第一階段剩余的焦炭發(fā)生氣化反應(yīng)的階段，溫度范圍為717-805℃。氣化反應(yīng)中熱解階段視為一級(jí)反應(yīng)，半焦氣化視為縮核反應(yīng)。催化劑對(duì)氣化反應(yīng)有促進(jìn)作用，提高了氣體產(chǎn)物的產(chǎn)量和品質(zhì)，合成氣的產(chǎn)量有明顯增加，而焦油的裂解被明顯加強(qiáng)。添加NiO時(shí)，H2的產(chǎn)率最大，達(dá)到34mol/kg；添加白云石時(shí)，CO的產(chǎn)率最大，達(dá)到23mol/kg。
　　為了進(jìn)一步了解煙

7、草廢棄物熱解機(jī)理和熱解產(chǎn)物的特性，采用管式電加熱爐配合氣相色譜儀對(duì)煙草廢棄物熱解產(chǎn)物的分布進(jìn)行了詳細(xì)研究，主要考查了熱解終溫、固相停留時(shí)間和催化劑的添加對(duì)氣體產(chǎn)物特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)高溫有利于H2和CO的產(chǎn)生。在NiO/-Al2O3催化劑的作用下，在850℃氣體產(chǎn)率達(dá)到1.52Nm3/kg，H2的含量達(dá)到38.6vol.%，氣體產(chǎn)物的熱值約為15MJ/m3，可以直接用于燃?xì)廨啓C(jī)、引擎和鍋爐的燃燒。同時(shí)，對(duì)整個(gè)熱解系統(tǒng)在900℃下干燥煙草

8、廢棄物的熱解過(guò)程進(jìn)行了能量和能量平衡計(jì)算分析，結(jié)果表明：熱解系統(tǒng)建立的質(zhì)量平衡的誤差為1%；因?yàn)闊煵輳U棄物熱解過(guò)程中每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)存在一定的能量損失，而且原料中存儲(chǔ)的化學(xué)能也不可能完全轉(zhuǎn)化熱解產(chǎn)物的化學(xué)能，所以此熱解系統(tǒng)的制氣效率、能源回收率和能耗比分別為42.16%、89.01%和2.49。
　　在連續(xù)進(jìn)料的方式下利用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的鼓泡流化床氣化系統(tǒng)，對(duì)煙草廢棄物水蒸氣氣化進(jìn)行了深入研究，主要考查反應(yīng)溫度和S/B對(duì)氣體產(chǎn)物特性的影

9、響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著氣化溫度從700℃升高至850℃，氣體中H2的含量從50.5增加至54.4%，CO的含量從14.3%提高到18.5%，而CO2和CH4呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)；隨著S/B的升高H2的產(chǎn)量先從0.037kg/kg大幅增加到0.07kg/kg，再緩慢增加到0.095kg/kg，最后慢慢趨于平穩(wěn)甚至減小，所以水蒸氣最佳通入量為1.32（S/B）。
　　此外，由于煙草廢棄物水蒸氣氣化反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的偏差，因