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摘 要

生物质超临界水气化制氢已成为当今最清洁、环保的方式之一，这项技术的开发大大降低了化石燃料的使用，在一定程度上减缓了气候变暖，对社会进步作出了卓越的贡献。并且生物质秸秆通常得不到利用，而这也恰好解决了这个问题。

本文设计以玉米屑为原料的超临界水气化制氢装置，其中主要包括反应器、预热器、冷凝器的设计，通过用间歇式反应釜实验确定工艺条件，从而确定其尺寸。此次实验共有四个参数，分别为温度、压力、进料浓度、反应停留时间。通过设计一个九次正交实验得出最佳反应条件。本次设计设备主要是关于法兰、螺纹规格、垫片的选用，对各种标准有初步的认识。最后对整套工艺装置进行了价格评估。

关键词：超临界水 生物质 压力容器 气化

Design of 50 kg/h Biomass Straw for Supercritical Water Gasification Hydrogen Production

ABSTRACT

Biomass supercritical water vaporization has become one of the cleanest and most environmentally friendly ways today. The development of this technology has greatly reduced the use of fossil fuels and, to a certain extent, slowed the climate warming and made outstanding achievements in social progress The contribution. And biomass straw is usually not available, and this also happens to solve this problem.

In this paper, the design of supercritical water vaporization plant with corn chips as raw material, which mainly includes the design of reactor, preheater and condenser, determines the technological condition by using batch reactor test to determine its size. The experiment has a total of four parameters, respectively, temperature, pressure, feed concentration, reaction time. The optimal reaction conditions were obtained by designing a nine orthogonal experiment. The design of the equipment is mainly on the flange, thread size, the choice of gasket, a variety of standards have a preliminary understanding. Finally, the price of the entire process plant was evaluated.

Key words: supercritical aquatic biomass pressure vessel gasification

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本课题的研究思路 3

第2章 工艺要求 4

2.1工艺流程图 4

2.2 初始条件 4

第3章 工艺设计 5

3.1 物料衡算 5

3.2 热量衡算 5

第4章 预热器设计 7

4.1换热器段工艺计算 7

4.1.1原始数据 7

4.1.2定性温度与物性参数 7

4.1.3 物料与热量衡算 7

4.1.4有效平均温差 8

4.1.5 初算传热面积 8

4.1.6 换热器结构设计 9

4.1.7管程传热与压降 10

4.1.8 壳程传热与压降 11

4.1.9总传热系数 13

4.1.10传热面积与壁温核算 14

4.2外壳结构设计计算 14

第5章 反应器设计 18

5.1反应器工艺计算 18

5.2外壳结构设计计算 18

第6章 冷凝器设计 21

6.1换热器段工艺计算 21

6.1.1原始数据 21

6.1.2 定性温度与物性参数 21

6.1.3 物料与热量衡算 21

6.1.4 有效平均温差 22

6.1.5 初算传热面积 23

6.1.6 换热器结构设计 23

6.1.7 管程传热与压降 24

6.1.8 壳程传热与压降 25

6.1.9总传热系数 26

6.1.10传热面积与壁温核算 27

6.2外壳结构设计计算 27

第7章 经济评价 31

7.1 装置各设备价格估算 31

7.2 总投资估算 31

7.3 总成本费用估算与分析 32

7.4 财务评价 34

后 记 36

参考文献 37

第1章 绪论

1.1 选题背景和意义

背景：当今世界，化石燃料越来越少，环境越来越糟糕，开发出一种，可再生的、无污染的新能源是我们目前亟待解决的问题。当我们知道需要去开发这种新能源的时候，开发的手段就是我们亟待解决的难题，在保证不破坏环境的前提下，合理的开发极为重要^[1`2]。可再生的能源包含许多种类，生物质能是其中一种较为优秀的，主要是其具有污染低和分布广的特点^[3]。超临界水气化制氢是一门新兴技术，它首先由麻省理工的科学家们提出。致力于去开发利用生物质能源，并去尽量减少使用化石燃料，能够长此以往这样坚持下去，美好生态环境的建设我们又将前进大步，令我庆幸的是，这种思想已渐渐被世人认可^[4]。

意义：农作物收获以后，大量的秸秆被留在农田里，没有得到合理的运用。另外，在农产品加工过程中废弃掉的麦壳、稻壳等，都是典型的农业生物质资源^[5]。这样一种我们不加以利用就将浪费的资源，不应该放弃，因此我们应当将生物质燃料作为首要选择^[6]，生物质在超临界水中气化反应中，生物质的气化可以完全，并且氢气的产率可以超过一半，其中最为重要的是，在整个生产过程中不会生成焦油、木炭等，对环境是十分友好的^[7]。生物质在可再生性方面具有显著的优势，且以氢气作为燃料电池，在经济和环保方面也具备一些长处，使得人们对超临界水气化制氢这项技术越来越重视。因为将生物质原料转化成生物燃油的成本高，所以对于发展中国家和农村地区，平衡利用生物质能和传统能源很重要^[8]。

1.2 国内外研究现状

超临界水气化的制氢原理是极其复杂的，不能通过简单的描述来概括它。国外的学者们走在领先位置，他们首先对生物质及其模型化合物的超临界水气化制氢进行了大量的研究^[9],但是国内恰好相反，他们对生物质超临界气化好像不太感兴趣，研究和报道比较少^[10]。在1992成功召开世界型的大会后，欧美等许多国家已经开始注重对生物质能的开发。不遗余力的投入大量的精力从事生物质能的研究开发^[11]，以美国、瑞典等国为作主要代表，他们已能够大规模的将生物质能转化为一种高质量的能源^[12]。目前，在我国还是没有得到充分的重视，利用率不是很高，年利用量为仅为1亿吨标准煤左右，占可利用总量不到20% ^[13]。

Minnow^[15]等在间歇反应器上进行了纤维素的气化实验。在反应温度为400℃的条件下，用镍催化，产品气主要成分由CH₄和CO₂气体组成。最为重要的是，在整个反应的过程中,水解反应是不可或缺的一个环节。

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