高原低压缺氧环境下湿基生物质气化试验与模拟研究

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西藏农牧区的居民主要以直接燃烧生物质资源来保障日常生活,而高海拔和低压缺氧的独特环境造成了西藏生物质燃烧时间长和燃烧效率低等问题,这对作为我国生态安全屏障的西藏高原地区脆弱的生态环境造成了一定的负面影响。气化技术可以将生物质转换为可燃气,具有清洁、高效的特点,就改善西藏农牧区居民生活品质而言,燃烧生物质燃气也比燃烧生物质更加干净,此外,该技术对氧气浓度要求比燃烧技术低,因此在西藏地区具有很大的应用潜力。为探索适用于西藏高原低压缺氧环境下的湿基生物质气化技术,本文开展以下研究工作:
  (1)以西藏自治区年鉴为依据,结合草谷比及折算系数等参数,定量估算了西藏农林废弃物和畜禽粪便等生物质储量,在此基础上,引入排放因子,对比了直接燃烧、户用气化和村镇气化过程中产生的大气污染物排量。结果表明西藏地区禽畜粪便与秸秆储量丰富,集中分布于昌都;与直接燃烧相比,采用户用气化技术会降低79%NOX与72%SO2排放量;采用村镇级气化技术会降低96%NOX与97%SO2排放量,表明了气化技术在西藏具有巨大的应用潜力。
  (2)对实地采集的藏药渣及新鲜牦牛粪,开展了理化特性分析,并对其热失重行为进行了动力学研究,利用CR、Doyle与DAEM方法对比测算了牦牛粪热解动力学参数。结果表明:牦牛粪中K、Ca等碱金属含量非常丰富,Cu、Zn等重金属含量极低,其中K的含量为13.02mg/kg,约为普通牛粪的6-26倍。牦牛粪热解过程三个阶段的活化能分别为97.74、120.01和141.50kJ/mol。Doyle法更能准确地描述牦牛粪的热解气化过程。
  (3)搭建了管式炉气化系统,研究了温度、湿度和海拔梯度对湿基生物质气化产物分布的影响规律。结果表明温度为1000℃,湿度为13.5%,平原常压下,牦牛粪气化性能最佳:燃气热值为6.53MJ/Nm3,产气率为1.29Nm3/kg,焦油产率为0.39g/Nm3。较低压力耦合较高含水率易形成更丰富的牦牛粪焦炭结构。
  (4)利用AspenPlus建立了针对高原缺氧环境下下吸式固定床气化稳态平衡模型,分析了气化温度等因素対气化产物分布的影响,得到了拉萨高海拔低压环境下吸式固定床的最佳优化气化工艺参数:气化温度1000℃,原料含水率20%,氧气浓度44%。在该工况下,产气气热值约为6.44MJ/Nm3。并将该模型应用于自行设计的固定床气化炉,预测了以牦牛粪为原料的燃气组分及热值。
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