内容简介
《生物质高温气化技术原理》是一本系统论述生物质高温气化技术原理的专著，主要介绍在生物质高温气化过程中生物质热解及焦油高温裂解特性、生物质高温热解焦理化结构演化、生物质高温热解焦气化特性、生物质高温热解气化反应动力学，以及生物质高温气化装置优化设计等方面的研究成果，重点突出高温气化过程焦油含量变化及灰熔融带来的特殊影响。
精彩书摘
第1章绪论
20世纪以来，世界能源结构以化石燃料为主，随着社会的进步，人们不断开发及消耗化石能源，使得化石能源日益减少，并带来许多环境问题，人们开始意识到利用可再生能源和提高能源效率是减少化石能源消耗的有效措施[1-3]。而生物质能作为唯一可储存和运输的可再生能源，其利用不仅可以有效减少化石能源的消耗，还可以通过减少CO2等温室气体的排放来减轻温室效应，并在降低企业能源成本等方面发挥积极的作用[4，5]。生物质作为可再生能源，其在总能源构成中的比例正逐步上升[6]。生物质的资源化利用在减少温室气体排放、减轻环境污染方面，符合国家“十四五”规划中生物质能发展、温室气体减排和环境保护的目标，为实现“双碳”目标提供了有力支撑[7]。
1.1生物质物料的主要特性
生物质主要包括农林废弃物、水生植物、油料植物、城市生活垃圾、工业废弃物和排泄物等[8，9]。其中，林业废弃物包含各种硬木和软木，农业废弃物包含稻壳、玉米秸秆、小麦秸秆、甘蔗渣和芒草等[10]。
从生物学角度来看，构成生物质的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素和少量的其他提取物和灰分[11]，不同生物质的典型化学组成见表1-1。木本类植物生长比较慢，具有密集的纤维结构，含有较高的木质素，而草本植物一般为一年生，纤维比较松散，相应木质素的含量比较低，相反纤维素的含量却比较高。不同的生物质其组成不同，而纤维素和木质素的相对比例是确定生物质类型和选择生物质处理方式的一个因素。纤维素的热解产物包括不凝气体、焦炭和大量的醛、酮及有机酸类物质，半纤维素与纤维素的热解产物相比，其焦油产量少，而不凝气体产量高，木质素热解产生的焦炭量要远多于纤维素和半纤维素[12，13]。生物质的热解过程可以看作由纤维素、半纤维素、木质素热解过程的线性叠加[14]。
从物理化学角度来看，生物质由可燃质、无机物和水分组成，主要含有C、H、O等元素，它们占生物质总量的95%以上，除此之外还含有灰分和水分[5]。因为本书的研究主要集中于生物质热化学转化，因此更关心生物质在物理化学方面的特性。生物质的化学成分是指元素分析中生物质所含各种元素的多少。生物质的成分与煤的成分相差很大，由于生物质原料中氧含量高，因此热解过程中CO含量相对要高一些。另外，生物质中的N、S含量明显低于煤，因此燃料内N和S形成的污染物排放量相对于煤很低，对环境更加友好。
生物质的工业分析是指生物质所含有的挥发分、固定碳和灰分的比例，它将决定生物质的利用方法。生物质的干基挥发分占70wt%左右，有的文献中关于生物质挥发分的比例更高为70wt%～90wt%[6]，而煤的挥发分一般低于30wt%①，热解的产物主要是焦炭。这是因为几乎所有的生物质的C含量都要比煤低得多，相应的H/C和O/C值要比煤高得多，这些分子组成特点致使生物质的发热量远低于煤，而挥发分却比煤高得多，这就使生物质热解的主要产物是气体，但也应注意到，木质类生物质含灰分极低，只有1%～3%，草本类生物质含量会稍多一些，但是同煤相比，生物质的灰含量仍然是较低的。
1.2生物质热化学转化技术
生物质转化为生物质能主要通过两种途径，一种是热化学转化法，另一种是生物化学法。通常，就反应时间而言，热化学过程比生物化学过程效率更高，并且转化有机物的能力更强。例如，木质素是典型的非发酵材料，因此不能通过生物化学方法降解，而能通过热化学方法降解。热化学转化过程主要包括燃烧、热解、气化和液化，图1-1为生物质能转化的热化学过程和产物[16]。
图1-1生物质能转化的热化学过程和相关产物
燃烧是生物质转化方法中*广泛的利用途径。生物质能源有97%的贡献来源于燃烧。在一些发展中国家，生物质燃烧在人们的日常生活中占有重要地位，它是人们做饭和供热的主要能源。与化石燃料相比，生物质燃料的热值相对较低，这是因为生物质有两类明显的特性：高含水量和含氧量。污染和腐蚀燃烧室是生物质燃烧的典型问题。污染是由于生物质灰中存在碱金属和Si、S、Cl、Ca、Fe等其他元素。通常，草本类生物质(秸秆和草)所含的碱金属、S、Cl等比木质类生物质要高。生物质的燃烧设备主要有固定床、移动床、流化床和回转窑炉[17]。
热解是指生物质在高温缺氧或无氧的条件下转换成固焦炭、液体(生物质油和焦油)和不可凝气体的热分解过程。液体、气体和焦炭的比例取决于原料、反应温度和压力、反应区停留时间和加热速率等，其中温度和挥发性产物的停留时间对于以获得生物质气为目的的热解工艺影响*为显著[18]。根据终温和升温速率的不同，生物质热解产物分布也不同，大致可分为[19]：①低温和较长反应时间下的慢速热解，*大焦炭产率为30%，*近的加压热解研究表明，可得到更高的焦产率；②500～600℃的快速热解，液体产物收率为80%，但必须有很高的反应速率和极短的停留时间；③高于700℃的快速热解，气体产物收率达80%；④低于600℃
目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 生物质物料的主要特性 1
1.2 生物质热化学转化技术 2
1.3 生物质热解研究现状 4
1.3.1 生物质热解原理及热力学评估 4
1.3.2 生物质焦结构影响因素 6
1.4 生物质气化研究现状 8
1.4.1 生物质气化工艺 8
1.4.2 生物质焦油脱除方法 11
1.4.3 生物质焦气化特性 12
1.5 研究现状简析 18
参考文献 18
第2章 生物质热解及焦油高温裂解特性 27
2.1 实验系统设计及实验方法 28
2.1.1 实验系统设计 28
2.1.2 实验测量方法 31
2.1.3 实验系统工作过程 32
2.1.4 实验系统测试 33
2.2 生物质高温热解特性 34
2.2.1 温度对生物质热解产物分布的影响 35
2.2.2 生物质种类对热解产物的影响 36
2.2.3 生物质热解液体产物的GC-MS分析 37
2.3 生物质焦油高温裂解特性 43
2.3.1 焦油的理化特性测试 43
2.3.2 焦油的工业分析和元素分析 44
2.3.3 生物质焦油及馏分的成分分析 44
2.3.4 焦油热裂解液体产物的GC-MS分析 47
2.3.5 裂解温度的影响 52
2.3.6 停留时间的影响 55
2.4 生物质高温热解过程的热力学分析 55
2.4.1 能分析和分析方法 56
2.4.2 能值和值分析 60
2.4.3 能效率和效率分析 64
2.5 本章小结 67
参考文献 68
第3章 生物质高温热解焦理化结构演化 70
3.1 粉料生物质高温热解制焦装置及方案 70
3.2 成型生物质高温热解制焦装置及方案 73
3.3 生物质焦结构测试方法 74
3.3.1 物理结构测试方法 74
3.3.2 化学结构测试方法 75
3.4 生物质高温热解焦物理结构演化 76
3.4.1 粉料生物质高温热解焦物理结构演化 77
3.4.2 成型生物质高温热解焦物理结构演化 83
3.5 生物质高温热解焦化学结构演化 90
3.5.1 粉料生物质焦化学结构演化 90
3.5.2 成型生物质焦化学结构演化 106
3.6 本章小结 109
参考文献 111
第4章 生物质高温热解焦气化特性 113
4.1 生物质高温热解焦水蒸气气化特性 113
4.1.1 实验系统及方法 113
4.1.2 气化产物生成特性 115
4.2 生物质高温热解焦空气气化特性 123
4.2.1 实验系统及方法 123
4.2.2 气化产物生成特性 129
4.3 生物质高温气化特性模拟 143
4.3.1 气化模型建立 143
4.3.2 高温气化特性模拟及分析 156
4.4 本章小结 166
参考文献 167
第5章 生物质高温热解气化反应动力学 171
5.1 生物质焦的分子结构及其气化动力学研究基础 172
5.2 生物质高温热解详细动力学模型构建 177
5.2.1 TGA-MS分析 178
5.2.2 表观动力学建模 180
5.2.3 集总动力学建模 181
5.2.4 模型验证 187
5.3 生物质高温热解焦结构演变及分子模型构建 190
5.3.1 焦制备 190
5.3.2 分析测试方法 190
5.3.3 实验结果分析 191
5.4 含氧官能团的气化动力学机理 198
5.4.1 实验方法 199
5.4.2 实验结果分析 199
5.4.3 计算方法 203
5.4.4 计算结果 203
5.5 高温生物质焦气化动力学 216
5.5.1 计算方法 216
5.5.2 气化特性分析 217
5.6 本章小结 222
参考文献 223
第6章 生物质高温气化装置优化设计 227
6.1 生物质高温气化流程分析 227
6.1.1 流程模型 229
6.1.2 运行参数对气化过程的影响 232
6.1.3 运行参数群的确定 234
6.2 生物质高温气化装置设计 234
6.3 生物质高温气化装置结构优化 236
6.3.1 生物质高温气化模型 236
6.3.2 结构参数的影响 240
6.4 本章小结 251
参考文献 252
试读
第1章绪论
20世纪以来，世界能源结构以化石燃料为主，随着社会的进步，人们不断开发及消耗化石能源，使得化石能源日益减少，并带来许多环境问题，人们开始意识到利用可再生能源和提高能源效率是减少化石能源消耗的有效措施[1-3]。而生物质能作为唯一可储存和运输的可再生能源，其利用不仅可以有效减少化石能源的消耗，还可以通过减少CO2等温室气体的排放来减轻温室效应，并在降低企业能源成本等方面发挥积极的作用[4，5]。生物质作为可再生能源，其在总能源构成中的比例正逐步上升[6]。生物质的资源化利用在减少温室气体排放、减轻环境污染方面，符合国家“十四五”规划中生物质能发展、温室气体减排和环境保护的目标，为实现“双碳”目标提供了有力支撑[7]。
1.1生物质物料的主要特性
生物质主要包括农林废弃物、水生植物、油料植物、城市生活垃圾、工业废弃物和排泄物等[8，9]。其中，林业废弃物包含各种硬木和软木，农业废弃物包含稻壳、玉米秸秆、小麦秸秆、甘蔗渣和芒草等[10]。
从生物学角度来看，构成生物质的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素和少量的其他提取物和灰分[11]，不同生物质的典型化学组成见表1-1。木本类植物生长比较慢，具有密集的纤维结构，含有较高的木质素，而草本植物一般为一年生，纤维比较松散，相应木质素的含量比较低，相反纤维素的含量却比较高。不同的生物质其组成不同，而纤维素和木质素的相对比例是确定生物质类型和选择生物质处理方式的一个因素。纤维素的热解产物包括不凝气体、焦炭和大量的醛、酮及有机酸类物质，半纤维素与纤维素的热解产物相比，其焦油产量少，而不凝气体产量高，木质素热解产生的焦炭量要远多于纤维素和半纤维素[12，13]。生物质的热解过程可以看作由纤维素、半纤维素、木质素热解过程的线性叠加[14]。
从物理化学角度来看，生物质由可燃质、无机物和水分组成，主要含有C、H、O等元素，它们占生物质总量的95%以上，除此之外还含有灰分和水分[5]。因为本书的研究主要集中于生物质热化学转化，因此更关心生物质在物理化学方面的特性。生物质的化学成分是指元素分析中生物质所含各种元素的多少。生物质的成分与煤的成分相差很大，由于生物质原料中氧含量高，因此热解过程中CO含量相对要高一些。另外，生物质中的N、S含量明显低于煤，因此燃料内N和S形成的污染物排放量相对于煤很低，对环境更加友好。
生物质的工业分析是指生物质所含有的挥发分、固定碳和灰分的比例，它将决定生物质的利用方法。生物质的干基挥发分占70wt%左右，有的文献中关于生物质挥发分的比例更高为70wt%～90wt%[6]，而煤的挥发分一般低于30wt%①，热解的产物主要是焦炭。这是因为几乎所有的生物质的C含量都要比煤低得多，相应的H/C和O/C值要比煤高得多，这些分子组成特点致使生物质的发热量远低于煤，而挥发分却比煤高得多，这就使生物质热解的主要产物是气体，但也应注意到，木质类生物质含灰分极低，只有1%～3%，草本类生物质含量会稍多一些，但是同煤相比，生物质的灰含量仍然是较低的。
1.2生物质热化学转化技术
生物质转化为生物质能主要通过两种途径，一种是热化学转化法，另一种是生物化学法。通常，就反应时间而言，热化学过程比生物化学过程效率更高，并且转化有机物的能力更强。例如，木质素是典型的非发酵材料，因此不能通过生物化学方法降解，而能通过热化学方法降解。热化学转化过程主要包括燃烧、热解、气化和液化，图1-1为生物质能转化的热化学过程和产物[16]。
图1-1生物质能转化的热化学过程和相关产物
燃烧是生物质转化方法中*广泛的利用途径。生物质能源有97%的贡献来源于燃烧。在一些发展中国家，生物质燃烧在人们的日常生活中占有重要地位，它是人们做饭和供热的主要能源。与化石燃料相比，生物质燃料的热值相对较低，这是因为生物质有两类明显的特性：高含水量和含氧量。污染和腐蚀燃烧室是生物质燃烧的典型问题。污染是由于生物质灰中存在碱金属和Si、S、Cl、Ca、Fe等其他元素。通常，草本类生物质(秸秆和草)所含的碱金属、S、Cl等比木质类生物质要高。生物质的燃烧设备主要有固定床、移动床、流化床和回转窑炉[17]。
热解是指生物质在高温缺氧或无氧的条件下转换成固焦炭、液体(生物质油和焦油)和不可凝气体的热分解过程。液体、气体和焦炭的比例取决于原料、反应温度和压力、反应区停留时间和加热速率等，其中温度和挥发性产物的停留时间对于以获得生物质气为目的的热解工艺影响*为显著[18]。根据终温和升温速率的不同，生物质热解产物分布也不同，大致可分为[19]：①低温和较长反应时间下的慢速热解，*大焦炭产率为30%，*近的加压热解研究表明，可得到更高的焦产率；②500～600℃的快速热解，液体产物收率为80%，但必须有很高的反应速率和极短的停留时间；③高于700℃的快速热解，气体产物收率达80%；④低于600℃
