玉米秸秆炭颗粒催化气化和燃烧动力学研究

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生物质炭具有能量密度高、吸水力强、孔隙率大等优点。相比于生物质,生物质焦炭中的氧和挥发分被大量移除,以它为原料,可以获得高品质的产品气,且在生物质炭制备过程中,焦油和其它杂质被大量移除,避免了生物质热转化中的种种问题。对生物质炭气化和燃烧进行动力学计算,可以得到反应过程中的动力学参数,并从动力学角度对生物质炭气化和燃烧过程进行描述。针对于此,本文选取玉米秸秆作为实验原料,采用相界面反应动力学模型,以不同制炭温度、实验温度、反应气氛及添加不同催化剂(Fe2O3、Na2CO3和CaO)后的玉米秸秆焦炭颗粒作为影响因素,考察这些因素对炭颗粒气化和燃烧中转化率、反应级数、指前因子和活化能的影响。(一)对玉米秸秆粉末进行TG与DTG分析,得出在400℃左右玉米秸秆内可冷凝气体已大部分析出,因此选择450℃和800℃两个温度进行生物质炭的制备。对炭颗粒进行XRD分析,得出800℃下Fe基-炭颗粒内的催化剂形态为Fe3O4,Na2CO3和CaO较好地分布在炭颗粒内。(二)对制炭温度为450℃的炭颗粒进行气化和燃烧动力学实验,得出在实验温度下,气化反应速率与实验温度成正比,符合Arrhenius定理。在950℃下,反应速率为纯氧燃烧>水蒸气气化>CO2气化>空气燃烧。炭颗粒在四种气氛下反应第一阶段都为1/4级反应,第二阶段都为1/2级反应,说明第二阶段炭颗粒呈圆柱体均匀收缩态,符合相界面反应模型理论。对制炭温度为800℃的生物质炭颗粒进行水蒸气气化实验,得出炭颗粒水蒸气气化为一级反应模型。(三)探讨催化剂对炭颗粒气化和燃烧动力学的影响,Fe2O3和CaO催化下的反应速率规律与无添加炭颗粒相同,Na2CO3催化下反应速率规律为纯氧燃烧>水蒸气气化≈空气燃烧>CO2气化。450℃的炭颗粒Na2CO3催化CO2气化和CaO催化水蒸气气化的整个过程为1/3级反应。其余在第一阶段都为1/4级反应。反应第二阶段,CaO催化CO2气化为1/3级反应,Fe2O3催化水蒸气气化为一级反应,Na2CO3催化纯氧燃烧为1/4级反应,其余都为1/2级反应。Na2CO3催化下800℃生物质炭水蒸气气化为一级反应,与800℃无添加炭颗粒反应形态相同,而CaO催化炭颗粒(800℃)水蒸气气化为1/3级反应,与450℃炭颗粒反应形态相同。
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