不同气氛下褐煤气化特性实验研究进展——新型反应器

丝网、一段或二段式固定床-流化床、燃烧-气化双床及套管反应器等是为褐煤气化过程中某些气化特性(如负压快速热解等)而开发的新型反应器。针对这些新型反应器及其对褐煤气化的研究结果进行总结,分析和讨论了负压快速热解(10000℃/s)特点、半焦与挥发分相互作用、碱金属和碱土金属(AAEMs)的催化作用及粒径对气化影响的双面性(促进/抑制作用)等方面的研究进展。分析认为:挥发分与半焦相互作用对气化过程具有抑制作用,主要由于挥发分重整产生的自由基促使半焦结构缩合,芳香度增大,反应性降低;如何将该抑制作用最小化,是开发新型流化床反应器的切入点;只有吸附在焦炭颗粒表面的高活性的AAEMs可以与半焦官能团等发生离子交换,改变碳颗粒表面的电荷分布,形成活性位,才具有催化作用;然而,煤灰中AAEMs在气化过程中演变复杂,如何将其分解开来,在接近真实气化条件下研究AAEMs的催化作用值得关注;粒径对褐煤气化的影响具有双面性,可以从反应速控步、颗粒孔隙特征及表面化学结构(如官能团等)等方面进行深入研究。     

生物质气化焦油裂解催化剂研究进展

将生物质气化转化为气体燃料或化工合成气原料,是生物质清洁高效利用的有效途径之一,焦油是气化的副产物,影响产气品质和气化效率,催化剂对生物质催化气化及焦油裂解效果明显,得到广泛应用。综述了天然催化剂、无机盐催化剂及合成催化剂对生物质气化过程焦油催化裂解效果、反应条件、催化机理。进一步分析了不同催化剂的生物质催化气化性能及研究进展。同时指出对天然矿石催化剂进行改性或大力发展合成类催化剂对生物质气化焦油降解有着良好的前景。     

超临界水中氨基乙酸的气化产氢特性

鉴于湿生物质如食品加工工业残余物和城市污泥中含有大量蛋白质的情况,以氨基乙酸作为蛋白质的模型化合物进行超临界水气化实验,研究了反应温度和反应时间耦合条件下Na₂CO₃的催化特性以及氨基乙酸气化产物特性。结果表明：添加Na₂CO₃会增大氨基乙酸的气化效率、氢气的体积分数和产率以及反应后液体化学需氧量（COD）的去除率,且添加质量分数为0.1%时的催化效果优于0.2%;Na₂CO₃主要是对H₂产率产生影响,其催化机理与已有碱性化合物的催化机理不同,可能是通过促进氨基乙酸的水解产物（甲酸）的脱羧反应来提高H₂的产率;氨基乙酸气化效率可达99.4%,生成物包括H₂、CO₂、N₂、CH₄和C₂～C₃气体,其中H₂的体积分数可超过50%,产率可达1.8 L·g^-1,且超过一半的份额来源于水,反应后液体清澈透明,COD和pH值指标均可以达到《生活杂用水水质标准》,可以进行回收利用。     

基于简单碰撞理论的生物质焦炭气化反应的活化能

利用热重分析仪在800~1000℃及750~1000℃下分别对11种生物质原焦及6种生物质脱灰焦进行了CO2等温气化实验,用碳转化率x=0.2时的瞬时气化反应速率rc,0.2对反应速率rc进行无量纲化处理;根据简单碰撞理论,推导得出了生物质焦炭气化反应速率的表达式,求取了17种生物质焦炭气化反应的活化能;结合催化理论与简单碰撞理论建立了生物质焦炭气化反应活化能的经验预测模型. 结果表明,转化率达0.2后,各焦炭不同温度下无量纲气化反应速率曲线基本重合,表明不同温度下焦炭微观结构在转化过程中具有基本相同的演变规律. 各焦炭的活化能与催化剂所占据的活性位比例存在良好的对数关系. 忽略催化效应的影响,焦炭本征气化反应的活化能趋于某一定值,约为254.35 kJ/mol,而完全催化反应活化能约为66.02 kJ/mol.     

基于CoFe2O4载氧体的生物质化学链气化反应特性

在热重分析仪和固定床反应器上对基于CoFe₂O₄载氧体的生物质化学链气化反应特性进行了研究，考察了载氧体与生物质质量比、水蒸气、反应温度对生物质化学链气化反应特性的影响，同时也对载氧体的循环反应性能进行了研究。通过XRD及SEM对新制备的和反应后的载氧体进行了表征。热重结果表明：CoFe₂O₄能够提供晶格氧，有效促进生物质气化。当CoFe₂O₄与生物质质量比为0.8，水蒸气体积分数为50%，温度为900 ℃时，气化反应效果最好。5次循环反应后，仍能获得较高品质的合成气，载氧体能够循环再生且未出现明显烧结团聚。     

生物质废物蒸汽气化高效制取富氢燃气的研究

本文利用固定床管式炉将木屑气化转化为富氢燃气,考察反应温度、注水流量和催化剂用量对气体组分和产量的影响规律。实验结果显示,生物质气化的总产气量和H₂占比随反应温度的升高而增加,随注水流量和催化剂用量的增大先增加后减小。生物质蒸汽气化的最佳条件为反应温度850℃、注水流量15 mL/h和原料/催化剂投加比50%,此时总产气量为1835.18 mL/g_木屑,其中CO为796.61 mL/g_木屑,占比43.54%,而H₂也达到最大值724.92 mL/g_木屑,占比接近40%。研究结果可以为生物质废物向富氢燃气的高效转化提供数据支撑。     

生物质半焦的催化气化动力学特性

采用恒温热重分析法对稻草的催化气化反应动力学进行了研究,同时研究了生物质对石油焦气化的催化作用。采用修正随机孔模型对气化反应转化速率与转化率的关系进行了拟合计算,得到生物质焦气化的活化能和指前因子。结果表明,加入催化剂后半焦的气化反应活性增大,活性顺序为：加入K+半焦> 加入Ca2+半焦> 加入Mg2+半焦> 原半焦> 酸洗后半焦,表明了生物质焦能明显提高石油焦的气化活性。不同半焦气化的活化能大小顺序为：加入K+半焦<加入Ca2+半焦<加入Mg2+半焦<原半焦<酸洗后半焦,表明了生物质半焦的加入能降低石油焦气化的活化能。     

生物质超临界水气化制氢技术的研究现状

介绍了国内外生物质超临界水气化制氢技术的研究进展,并对该技术的反应机理、影响因素、不同的催化剂、催化机理进行了评述.指出对气化反应机理的研究应该以关键化合物为基础;在反应器形式和催化剂一定的条件下,影响气化结果的主要因素是反应温度、进料浓度、加热速率、碱性化合物添加剂;碱性化合物添加剂和碳催化剂或金属催化剂结合使用可能会实现高效催化气化过程.     

基于对生物质焦油催化裂解的催化材料

生物质能作为一种可再生能源,越来越受到广泛关注。生物质能对未来世界能源的可持续发展具有重要意义。生物质能具有多种转化途径,其中生物质气化技术能有效将其转化为高效燃气,而生物质焦油是限制生物质气化技术发展的关键所在,本文针对生物质气化过程中的核心技术焦油去除的方法做了全面总结。重点介绍了催化裂解过程中应用的4种催化剂,并对4种催化剂的组成、催化机理以及催化剂的改性优化方式以及不同裂解条件对催化效果的影响进行了分类讨论。最后展望了生物质气化技术的发展前景,提出了未来催化裂解的研究重点。     

成型玉米秸秆气化的热重分析及动力学研究

以成型玉米秸秆为原料,采用热重分析方法,探讨气化剂CO2浓度和物料含水率对成型玉米秸秆气化过程中热失重的影响,并从动力学角度对气化特性进行分析。结果表明:生物质气化过程可分为水分析出、纤维素/半纤维素/木质素等有机物分解、焦炭气化三个阶段;CO2浓度为30%时,气化反应程度加剧,活化能和频率因子亦达到最大值;气化反应转化率随生物质含水率增大先增加后减少,少量水分促进气化反应,水分含量过高抑制气化反应;高含水量的生物质在气化过程中水分蒸发能耗比化学反应能耗大。     

二氧化碳等离子体处理生物质焦油

生物质气化过程中副产的焦油不仅有腐蚀设备、堵塞管道等危害,而且会降低生物质气化效率,传统的物理处理与热裂解处理方法存在诸多不足。本文基于旋转弧热等离子体反应装置,以二氧化碳作为等离子介质,选取苯及苯萘混合物作为生物质焦油的模型化合物进行了气化实验,实现了向合成气的高效转化（碳收率可达到90%以上）,初步显示了该路线的可行性。进一步分析了真实生物质焦油的物质组成,考察了二氧化碳等离子体对焦油的气化性能,焦油内的水分可作为气化剂,调节合成气中H₂/CO的比例（0.3~1）。上述结果为生物质焦油无害化、资源化利用技术的发展提供了新的思路。     

CO2光热催化还原研究进展

CO₂光热催化转化是一种新型的CO₂利用技术,该过程绿色、经济且无须额外能量输入,是当下的热门研究领域之一。本文主要总结了CO₂光热催化转化领域的最新研究进展,介绍了基于光热转化的光热催化剂设计方法,同时从光热催化机理出发解析了CO₂还原反应的光热催化剂构建策略,并揭示了CO₂还原反应中的光热协同耦合机制,为光热催化剂的设计以及CO₂的高效转化和利用提供参考。     

CO2光热催化还原研究进展

CO₂光热催化转化是一种新型的CO₂利用技术,该过程绿色、经济且无须额外能量输入,是当下的热门研究领域之一。本文主要总结了CO₂光热催化转化领域的最新研究进展,介绍了基于光热转化的光热催化剂设计方法,同时从光热催化机理出发解析了CO₂还原反应的光热催化剂构建策略,并揭示了CO₂还原反应中的光热协同耦合机制,为光热催化剂的设计以及CO₂的高效转化和利用提供参考。     

胜利褐煤水蒸气气化制富氢合成气及其固有矿物质的催化作用

利用微型固定床反应装置,研究了内蒙古胜利褐煤水蒸气气化过程中H₂、CO₂、CO和CH₄生成规律及其固有矿物质的催化效应。原煤(SL-raw)、盐酸洗脱(SL-HCl)、氢氟酸洗脱(SL-HF)及盐酸洗脱液回添煤样(SL-HCl-Re)在水蒸气气化反应过程中,H₂、CO₂和CO生成速率存在明显差异,充分说明胜利褐煤中某些固有的矿物质对其水蒸气气化反应具有显著的催化作用,可大幅度提高其气化反应速率,并使其起始气化温度降低96℃,气化反应主体温度降低150℃以上,同时促进了合成气中H₂生成,抑制了CO的生成,使胜利褐煤水蒸气气化反应过程中一直维持着较高的H₂/CO摩尔比,SL-raw、SL-HCl-Re水蒸气气化所得合成气中H₂/CO摩尔比分别为17.3和4.3,而SL-HCl和SL-HF水蒸气气化所得合成气中H₂/CO摩尔比均只有1.22。SL-HCl和SL-HF水蒸气气化生成H₂、CO₂和CO的规律基本相同,说明起催化作用的物质是可溶解在盐酸洗脱液中的矿物质。经过分析,发现矿物质对胜利褐煤水蒸气气化反应的催化作用主要是通过提高水煤气变换反应(WGSR)速度实现的。最后结合文献报道提出了胜利褐煤水蒸气气化反应过程中矿物质的原位催化机理。     

氧化钙调理污泥气化过程中重金属的迁移转化规律

以CaO为主要成分的石灰常用于污泥的调理和稳定。为探究其对污泥气化过程中重金属迁移转化规律的影响,在沉降炉-固定床反应器和固定床上于600、800、1000℃进行了污泥的热解及气化实验,并分析了不同污泥样品、热解焦和气化灰中典型重金属（Mn、Zn、Cu、Cr、Ni）的含量及形态分布。结果表明,CaO的加入将稀释调理污泥中的重金属,并使Mn、Zn、Cr向稳定态转化;CaO会使重金属离子与OH-结合生成沉淀,继而在气化反应中分解成氧化物。在气化过程中,CaO会提高重金属的残留率,也会吸收其氯化物、硫酸盐等在高温下分解生成的HCl、SO₂等酸性气体,促使氧化物的生成和抑制重金属的释放。     

660 MWe机组煤粉炉耦合生物质气燃烧污染物排放分析

为分析煤粉炉掺烧生物质气对耦合锅炉运行性能的影响，基于660 MWe燃煤锅炉和30 t/h生物质气化炉，搭建生物质气化耦合燃煤锅炉系统模型。在额定工况下，选取松木、木屑、污泥3种生物质，研究气化过程；并将最佳气化条件下得到的生物质气引入锅炉进行混合燃烧，研究不同生物质气对锅炉运行及燃烧产物的影响规律。结果表明，生物质气化热效率在最佳空燃比下均可达90%以上。与纯煤燃烧工况相比，耦合工况的炉膛燃烧温度均有所下降，最高下降9.43℃;生物质气掺烧使锅炉效率略下降，而耦合系统的生物质利用效率均可达84%以上；且耦合燃烧减少了CO₂排放量，其中松木气掺烧时CO₂减排量最大，为2.62×10⁵ t/a。耦合系统中NO_x生成量与炉膛燃烧温度和生物质气中CH₄含量明显相关，其中木屑气耦合燃烧生成的NO_x质量浓度下降最多，为167.16 mg/m³;而SO_x生成与生物质成分密切相关，其中松木气耦合燃烧生成的SO_x     

锯木屑在超临界水中气化制氢过程的主要影响因素

以锯木屑混合羧甲基纤维素钠（CMC）为反应原料,利用连续管流反应器,在反应器外壁面温度稳定在650 ℃条件下,对反应压力在17.5～30 MPa,反应停留时间在14.4～50 s,浓度范围为4%～9%（质量分数）的湿生物质浆液进行了超临界水气化制氢实验研究,讨论了气化过程的主要参数压力、温度、反应停留时间以及物料浓度对气化结果的影响.锯木屑在超临界水中接近完全气化,生成气体产物的主要成分是H₂、CH₄、CO、CO₂以及少量的C₂H₄和C₂H₆,气化产物中的H2含量可以超过40%.同时,实现了气化反应液体产物的循环利用.     

生物质水蒸气气化制取富氢合成气及其应用的研究进展

生物质水蒸气气化是有效的热化学转化手段,可将原材料转化为富氢合成气,气体应用更加广泛,有替代化石能源制氢的潜在价值。不同的生物质资源气化和产氢能力存在差异,物料的选择对气化制取富氢合成气至关重要,而调整气化操作参数包括反应温度、水蒸气加入量、催化剂和吸收剂等可进一步优化合成气质量,提升氢气含量。本文首先综述了不同操作条件对生物质水蒸气气化制取富氢合成气的影响。其次,介绍了生物质炭气化制取富氢合成气的研究现状,炭气化可制得高品质的富氢合成气,但过程受动力学限制,需要加入催化剂以提升炭气化速率。文中还简述了以钾盐为催化剂时的催化机理,并展望了富氢合成气的应用,包括制备高纯氢应用于燃料电池和制备合成天然气。     

晋城无烟煤与杨树木屑共气化特性

为分析生物质对晋城无烟煤气化过程的影响,以晋城无烟煤和杨树木屑为试验对象,研究无烟煤、脱灰无烟煤与木屑在气化介质CO2下的共气化特性,通过热重分析法考察了木屑掺混比、升温速率、煤样脱灰处理等因素对气化过程的影响。结果表明,掺混生物质木屑能降低无烟煤、脱灰无烟煤共气化温度,且增加生物质掺混比例能显著降低起始反应温度;脱灰无烟煤共气化反应起始温度更低。10、20℃/min升温速率下共气化试验结果表明,升温速率对共气化过程有一定影响;低升温速率下开始气化反应温度低,高升温速率下最大质量变化速率值大;煤样脱灰处理后,失去矿物质使煤孔结构发达,生物质与气化剂反应活位点增加,能提高气化反应性。     

光催化CO2和CH4重整催化剂研究进展

太阳能驱动的CO₂与CH₄转化为合成气是一种非常有前景的生产可再生燃料的技术，然而太阳能驱动的CH₄重整催化剂存在转化效率低、光生电子与空穴复合速率快及催化剂稳定性差等问题。本文简述了光催化CO₂与CH₄重整的可能机理，包括CO₂和CH₄的吸附、光生电子与空穴的迁移及产物的脱附过程。重点介绍了光催化CO₂和CH₄重整过程中贵金属催化剂、非贵金属催化剂及碳氮化合物等催化剂的研究进展，并总结归纳了各类催化剂的优点与不足。最后，本文探讨了光催化转化CO₂与CH₄制合成气研究领域未来可能的发展方向：开发设计高效的光催化剂提高反应效率；通过密度泛函理论计算及高端表征技术探究催化机理。