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目前,生物质气化和合成燃料技术已经相当成熟,然而生物质粗燃气的深度净化和品质提升却成为制约生物质高端利用的瓶颈。生物质粗燃气重整净化基本是借用甲烷重整整套工艺,甲烷重整容易造成催化剂表面积碳失活,而且生物质粗燃气中焦油的存在加速了催化剂积碳失活,促使大量学者致力于反应器和催化利等方而的研究。因此本文首先利用热力学分析,得出了较优的生物质粗燃气重整工艺条件:然后利用管式炉对生物质粗燃气模拟气进行了实验,同时引入电热丝局部高温促进重整反应,对电热丝作用进行了研究;最后结合多孔陶瓷氧分布器和电热丝加热设计出新型的绝热反应器,对该反应器进行了调试与实验,得出以下结论:
根据吉布斯最小自由能热力学分析,得出:(1)生物质粗燃气重整随温度增加,CH4和CO2转化率逐渐增加,H2/CO比和积碳量降低;(2)O2/CH4比的增加促进了CH4的转化而抑制了CO2的转化,同时抑制了积碳。当温度为700℃、O2/CH4比为0.7时基本没有积碳生成:(3)焦油含量的增加抑制了CH4的重整反应而促进了CO2的转化,同时促进了积碳发生;(4)由热力学模拟分析得出,较优自热重整反应条件为温度750℃,O2/CH4比0.7,焦油量＜1%。
利用管式炉反应器进行生物质粗燃气重整反应评价,得出:(1)提高温度可以提高CH4与CO2转化率,760℃以上甲烷干重整转化率可达到90%以上;(2)空速提高对蜂窝陶瓷催化剂重整具有较大的影响,提高空速,转化率降低较快:(3)提高O2/CH4比促进了CH4重整反应,降低了CO2转化率,同时可以为体系提供能量,降低了体系能耗,使反应器温度场更均匀。此外,加入O2还可以调节H2/CO比,降低积碳,然而过多的O2容易消耗掉合成气;(4)电热丝的引入起到了局部高温的作用,电流越高,局部高温越明显,同时提高了反应器轴向温度场的均匀性,明显提高了CH4和CO2转化率。
通过对自行设计的新型重整反应器进行了调试,得出:(1)反应器内部温度场较均匀,通过陶瓷管氧分布器拓宽了重整反应均温区,将反应器中间段温差控制在50℃左右;(2)电热丝的存在为反应提供了部分能量,使反应可以在较低O2/CH4比条件下进行;(3)从实验上看,O2/CH4比控制在0.7左右,与模拟和管式炉结果一致;(4)当O2/CH4=0.69,空速1000h-1,主体温度在650℃左右就可以达到75%左右的CH4转化率,650-700℃之间可以达到85%左右的转化率,在700-750℃之间可以达到90%以上的转换率,而反应器整体能耗只有615 W,大大降低了反应能耗;(5)受原料气自身的影响,经过重整后的H2/CO比保持在1左右。