低温分布自然环境论文提纲

论文题目：农业生物质气化关键问题及区域气化利用模式研究

摘要：2018年我国全年的秸秆产量高达5.7亿吨标准煤,这部分能源如果能充分利用,可以较大程度上缓解我国目前的能源紧缺。农业生物质富氧气化具有高效的资源循环利用率和环保效益,在农业生物质利用领域得以广泛应用。但由于农业生物质高含量的碱金属、氯元素,热处理过程中容易引起设备腐蚀,严重影响系统的安全运行。且农业生物质能量密度低,随季节变化大,分布分散,收集、运输、储存困难,如何提高单位产能是本领域亟待解决的技术难题。本论文对农业生物质富氧气化过程中碱金属（主要为K、Na）以及Cl元素的迁移特性、分布规律和形态转化等关键问题进行深入研究,并将农业生物质富氧气化工艺与常用的沼气集中供气工艺从能值和区域利用模式方面进行比较分析,为农业生物质富氧气化设备的稳定运行和大规模推广提供理论依据。为获得特定床料下不同运行参数下流化床富氧气化的规律和最佳工况,为农业生物质气化规模化利用提供参考,分别采用煅烧白云石和高铝矾土作为床料研究并获得了农业生物质富氧气化规律。气化反应温度和氧体积浓度对煅烧白云石和高铝矾土两种床料下的秸秆气化特性影响规律一致;随当量比增加,当床料为煅烧白云石时,H2、CO及CH4浓度先增大后减小,CO2浓度先减小后增大,产气热值和气化效率均在当量比为0.22时达到最大值;当床料为高铝矾土时,气体组分浓度等均呈现单一变化趋势;采用煅烧白云石作为气化床料时,对焦油热裂解的催化效果更佳,并可吸附气体组分中的CO2,可燃气体的含量和气化效率更高,因而煅烧白云石比高铝矾土更有利于提高可燃气的品质。为有效防止床料结渣、实现HCl的深度脱除提供理论依据,研究并获得了气化过程中碱金属、氯元素的赋存形态和迁移规律。Na、K在生物质低温灰中赋存形态含量按照水溶态、醋酸溶解态、盐酸溶解态、硅铝酸盐结合态依次递减,Na的总释放率与反应温度关系较复杂,释放率在50.2%～70.8%之间。700℃之前K受温度影响不大,当温度高于700℃,K释放率急剧增加;反应气氛对Na和K的迁移特性有着明显的影响,气化气氛下Na和K的释放量均高于热解气氛下Na和K的释放量,气氛对K元素释放量的影响程度要高于对Na元素释放量的影响程度;随着氧体积浓度的升高,水溶态和醋酸铵态Na、K转化为其他两种形态。Cl元素在温度低于700℃对Na的释放具有明显的作用,而在高于700℃后对K的释放的影响比较明显。为避免农业生物质气化产生HCl对装置构件造成高温腐蚀和低温腐毁,研究并实现了中高温条件下气化气氛中HCl的深度脱除。选用自制类水滑石作为脱氯剂,在各焙烧温度下自制类水滑石脱氯剂均具有明显的层状水滑石结构,金属离子在层状结构中具有良好的分散性和层间规整性;脱氯剂属于典型的介孔材料,随着焙烧温度的升高,脱氯剂结构发生了部分改变,生成金属混合氧化物,碳氧化物以及少量的金属氧化物,且有部分结构稳定的尖晶石结构出现。在气化反应气氛下,当反应温度窗口在350～650℃时,脱氯剂对HCl的脱除效率均高于90%,在550℃达到最高,为95.12%。为进一步为农业生物质资源工业化推广提供理论参考,采用能值分析法评价农业生物质富氧气化工艺和常用的农业生物质沼气集中供气工艺,并基于能值投入产出结构和能值指标,从生产效率、自然环境支持力以及可持续性三个角度对两种工艺进行全面评估和比较,并通过分析能值指标构建农业生物质富氧气化工艺的优化方案。富氧气化产气工艺和沼气集中供气工艺两种系统对自然环境依赖性小。富氧气化工艺的产出为1.50×1019 sej/a（太阳能焦耳/年）,与能值总投入量一致,此系统处于稳定系统中。而沼气集中供气工艺产出为9.59×1018 sej/a,略低于能值的总投入量,需要借助于其他能值实现系统的稳定。为进一步提升生物质富氧气化工艺,引入了生物质两段式富氧气化系统优化方案。优化方案受自然环境的支持,对环境的依赖性降低、产气率升高,因此优化方案的可持续发展性更好。为秸秆气化利用工程决策提供理论指导,在能值分析的基础上,本文进一步详尽考虑了人工费、燃气费以及政府补贴等,研究沼气供气与两段式富氧气化工艺的经济性和可行性,获得了不同影响因素分别对两个系统经济评价指标的影响。秸秆两段式高温气化的财务净值,内部收益率和投资回收期分别为:31.30万元,16.13%和6.47年,是区域秸秆资源化利用模式的优选方案。在秸秆资源化利用模式影响因素中,运行成本和燃气价格对财务净值、内部收益率和投资回收期的影响较大,意味着在推动秸秆利用市场化过程中,需要政府加大财政资金补贴,为生物质气化大规模的工程应用提供指导和支持。

关键词：农业生物质;气化;碱金属;Cl元素;利用模式

学科专业：环境科学与工程

摘要

ABSTRACT

主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外农业生物质能源化利用现状研究

1.2.1 生物质利用现状研究

1.2.2 生物质气化国内外研究现状

1.2.3 生物质气化过程中碱金属/氯元素国内外研究现状

1.2.4 国内外农业生物质利用能值分析研究现状

1.2.5 区域农业生物质利用模式研究现状

1.3 本论文主要研究内容

1.4 本章小结

参考文献

第二章 农业生物质流化床富氧气化实验研究

2.1 引言

2.2 农业生物质流化床气化反应系统

2.2.1 气体反应单元

2.2.2 采样单元

2.2.3 实验材料

2.2.4 实验流程

2.2.5 气化过程特性参数及气化效果评价指标

2.3 实验工况对农业生物质气化特性的影响

2.3.1 冷态运行实验确定关键参数

2.3.1.1 加料速率标定

2.3.1.2 布风板阻力

2.3.1.3 临界流化速度

2.3.2 气化温度对气化特性的影响

2.3.3 当量比对气化特性的影响

2.3.4 氧体积浓度对气化特性的影响

2.3.5 床料对残炭的影响

2.3.6 床料对焦油组分的影响

2.4 本章小结

参考文献

第三章 气化过程中碱金属及氯元素的迁移特性实验研究

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 实验材料

3.2.2 实验方法

3.2.3 碱金属赋存形态测定

3.2.4 氯元素测定

3.2.5 释放率定义

3.3 结果与讨论

3.3.1 农业生物质中碱金属赋存形态分析

3.3.2 气化温度对碱金属释放率和赋存形态的影响

3.3.3 反应气氛对碱金属释放率和赋存形态的影响

3.3.4 气化温度对氯赋存形态的影响

3.3.5 Cl元素在不同气化温度与碱金属释放关系

3.3.6 Cl元素在不同气化气氛与碱金属释放关系

3.4 本章小结

参考文献

第四章 气化气氛中HCl气体的脱除特性研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验材料表征分析

4.2.3 实验装置及方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 脱氯脱氯剂表征结果分析

4.3.1.1 脱氯剂SEM-EDX分析

4.3.1.2 脱氯剂在不同焙烧温度下的XRD分析

4.3.1.3 脱氯剂在不同焙烧温度下的傅里叶红外分析

4.3.1.4 脱氯剂在不同焙烧温度下的孔隙结构表征分析

4.3.2 脱氯剂脱氯热重结果分析

4.3.3 脱氯剂气化条件下脱氯特性研究

4.4 本章小结

参考文献

第五章 农业生物质富氧气化工艺能值分析

5.1 引言

5.2 能值理论

5.2.1 系统能值流图和系统符号语言

5.2.2 评价指标

5.2.3 能值分析方法及步骤

5.2.4 能值分析的优化途径分析

5.3 能值分析计算

5.3.1 数据资源

5.3.2 能值分析表

5.4 结果与讨论

5.4.1 能值投入产出分析

5.4.2 能值指标分析

5.5 秸秆富氧气化产气优化方案的能值分析

5.5.1 秸秆两段式富氧气化

5.5.2 优化方案的能值分析

5.5.3 优化方案能值分析的结果与讨论

5.6 本章小结

参考文献

第六章 区域秸秆气化利用模式研究

6.1 引言

6.2 秸秆资源化系统经济评价指标

6.2.1 工程净现值计算

6.2.2 工程内部收益率计算

6.2.3 工程投资回收期

6.3 秸秆资源化成本估算模型

6.4 秸秆资源化单位经济半径模型构建

6.5 秸秆资源化经济性影响因素分析

6.5.1 秸秆沼气集中供气工程经济性影响因素分析

6.5.1.1 工程成本与收益分析

6.5.1.2 秸秆沼气集中供气经济性影响因素研究

6.5.1.2.1 固定成本对工程经济性影响

6.5.1.2.2 运行成本对工程经济性影响

6.5.1.2.3 沼气价格

6.5.2 秸秆两段式富氧气化工艺经济性影响因素分析

6.5.3 秸秆富氧气化经济性影响因素分析

6.5.4 政策建议

6.6 秸秆两段式气化工程实例概算

6.6.1 秸秆收储成本

6.6.2 秸秆两段式气化系统

6.7 本章小结

参考文献

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 创新之处

7.3 论文不足之处及今后需要开展的工作

资助文/基金

致谢