生物质气化与催化剂的研究进展

生物质气化是一种在高温氧化性介质作用下将生物质热分解为可燃性气体的热解技术。为了提高生物质气化过程中气化效率、调整可燃性气体组分的含量和去除焦油,通常需要采用不同气化介质、改变气化条件或添加不同的催化剂。本文重点综述了生物质气化所使用的介质和催化剂种类以及气化条件对气化气组分,主要是H₂和CO的影响规律。最后对未来生物质气化研究进行了展望,提出了几个待研究解决的问题。     

循环流化床生物质催化气化试验研究

为研究不同催化剂、不同当量比及不同温度条件下生物质气化效果,采用1.5 MW、产气率4500m~3/h循环流化床试验平台,分别对木屑和稻壳两种生物质原料的催化气化特性进行试验研究。试验结果表明:对于同一种生物质原料,采用橄榄石作为催化剂时,其气化气体中的可燃成分含量更高,橄榄石催化效果优于白云石和菱镁矿;而与稻壳相比,木屑气化产出生物质气体中的可燃成分比重更高;随着当量比的增加,气体热值均有所下降,其原因是当量比增大导致了空气中的氮气更多的进入气化炉,稀释了气化气的体积浓度,从而使得气体热值明显下降。在当量比ER为0.1和0.2条件下,采用橄榄石作为催化剂可以得到热值较高的生物质气;三种催化剂的最佳催化反应温度均为750℃左右,ER=0.2时的气体产率明显比ER=0.1高,说明更多的空气进入气化炉参与反应,产品气体积有所增加,但是将降低气体热值。     

生物质气化重整技术的研究进展

介绍了生物质气化重整的研究发展现状,主要包括催化气化重整和高温介质气化技术。总结了催化气化重整过程中催化剂的研究情况,归纳了催化剂的作用,重点介绍了天然矿石催化剂、镍基催化剂和贵金属催化剂在生物质气化重整中的应用,并分析了生物质气化催化重整方法在工业应用中存在催化剂易失活的生物技术难点。此外,还介绍了当前出现的生物质高温介质气化技术,包括高温空气气化技术和高温水蒸气气化技术,阐明了其研究重点以及未来发展方向。     

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。     

整体式新型生物质气化催化反应器的实验研究

在现有生物质气化反应器及焦油处理方法的基础上,开发出一种整体式新型生物质气化催化反应器,并对该反应器进行相关的实验研究。实验研究结果表明:当木粉进料速率为6.48 g/min,空燃比RE为0.23,气化温度在500—670℃,这种整体式新型生物质气化催化反应器内有、无催化剂时对木粉气化产生的燃气中焦油的含量以及气体组分有明显影响;当采用钴与氧化钴的质量分数为20%,氧化钙的质量分数为80%的钴基催化剂作为焦油裂解催化剂,裂解温度为800℃,标态下体积空时为1.8 s的情况下,燃气中夹带的焦油可完全被催化裂解,同时燃气中的气体成分氢体积分数可从无催化剂时的15%提高到有催化剂时的35%,净提高20%。同时也对使用前后的钴基催化剂进行了XRD表征分析,发现氧化钙在生物质气化过程中具有一定的CO2捕集能力。     

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。     

生物质间接液化一步法合成燃料二甲醚

结合合成气制备液体燃料二甲醚的技术特点，对生物质在不同气化介质中的气化工艺以及气体组分分布进行了分析，对生物质合成气的自有特点和组分调整等重要制备过程进行了分析探讨，参考煤气化制备二甲醚的工艺过程，提出了生物质间接液化一步法合成液体燃料二甲醚的工艺路线设想。     

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。     

生物质半焦气化反应的研究进展

综述了生物质半焦与不同的气化介质以及与其他原料共气化反应的研究进展,阐述了物料类别、反应条件、气化介质等因素对气化过程及产物的影响规律,对比了不同反应技术的差别并指出了存在的主要问题,在此基础上阐明了生物质半焦空气-水蒸汽气化和生物质半焦与煤共气化将具有更加实际的应用价值。     

生物质热化学催化转化制富氢合成气研究进展

综述了生物质经热化学催化转化制富氢合成气的研究进展,重点阐述了热解法、气化法、生物油催化重整法、超临界转化法等各种热化学转化技术以及转化过程中常用的天然矿石类催化剂、碱金属催化剂和金属催化剂对焦油脱除及气体组分特别是H2含量的影响规律,并对新型高效催化剂的结构设计及开发研究进行了展望。     

Numerical simulation of 3D fluidized bed biomass gasification based on CPFD

Based on computational particle fluid dynamics (CPFD), a three-dimensional bubbling fluidized bed steam-air mixed gasification numerical model was established, and it was verified with experiment trials. The results show that the simulation and experiment have good consistency. Based on the model, the gas distribution and temperature distribution in the gasifier were studied; meanwhile, the biomass properties (particle size, water content, types) and operating conditions (gasification temperature, bed height) were investigated. The results show that there is an optimal value for the impact of biomass particle size on gasification performance, with an average particle size of 0.6 mm being the best; a higher water content will reduce the output of combustible gas and is not conducive to the gasification reaction. Among the four types of biomass, sawdust gasification has the highest efficiency, the largest combustible gas production, and the highest gas calorific value. Rice husk is second only to sawdust but its carbon conversion rate is higher than that of sawdust; increasing the gasification temperature can increase the proportion of combustible gas and increase gasification efficiency; while the change of initial bed height can change the ratio of H₂/CO. This experiment provides a theoretical reference for biomass steam/air gasification, which is helpful for the selection and processing of biomass raw materials, and also facilitates the amplification and optimization of the gasifier.     

基于CPFD方法的流化床生物质气化数值模拟

基于计算颗粒流体动力学(CPFD)建立了三维鼓泡流化床水蒸气-空气混合气化的数值模型,并进行了模型验证,结果表明模拟和实验具有良好的一致性。在该模型的基础上,研究了气化炉内气体分布以及温度分布;同时探究了生物质属性(颗粒粒径、含水率、种类)以及操作条件(气化温度、床料高度)对气化特性的影响。结果表明,生物质颗粒粒径对气化性能的影响存在一个最优值,平均粒径为0.6 mm是最佳的;较高的含水率会降低可燃气体产量,不利于气化反应的进行;四种生物质中,锯末气化的效率最高、可燃气体产量最大、气体热值最高,稻壳仅次于锯末但其碳转化率高于锯末;提高气化温度可以增加可燃气体的比例、提高气化效率;而初始床层高度的变化可以改变H₂/CO的比例。本实验为生物质水蒸气/空气气化提供了理论参考,有助于生物质原料的选取和处理,也有助于气化炉的放大和优化。     

生物质两段式富氧气化-燃气轮机燃烧集成发电系统模拟研究

为实现生物质能量的高效清洁利用,本研究基于两段式富氧气化系统改进燃气品质,并将获得的洁净高热值可燃气用于燃气轮机燃烧.通过Aspen Plus模拟研究分析了氧体积分数、气化温度对气化特性、燃机运行特性的影响,研究结果证实了生物质气化燃气在燃气轮机应用的可行性,并发现氧体积分数提高对改善生物质气化燃气品质及系统发电效率具...     

烘焙提升纤维素类生物质热解气化性能的研究进展

生物质作为唯一含碳的可再生能源受到广泛关注。由于生物质具有含水率高、氧含量高、热值低等特性,在生物质热解气化中存在热转化效率低、焦油含量高、产品气热值低等问题。烘焙预处理对于改善生物质原料特性和提升热解气化性能具有积极的影响。本文阐述了烘焙预处理技术对于纤维素类生物质原料的疏水性、可磨性、元素组成、能量密度以及热解气化中产生的产品气组分、焦油组分、产品气热值等方面的影响。原料经烘焙预处理后疏水性、可磨性增强,热值增加,提升了原料品质。同时,经烘焙预处理的纤维素类生物质原料可明显提高热解气化性能,产品气中可燃气体组分含量、产量以及热值得到提升,焦油含量明显下降,提高了热解气化的产品气燃烧性能和利用品质。下一步应开展烘焙与热解气化耦合工艺及应用模式研究,提高生物质热解气化的整体经济性和产品附加值。     

Effect of cellulose, lignin, alkali and alkaline earth metallic species on biomass pyrolysis and gasification

Fundamental pyrolysis/gasification characteristics of natural biomass and acid-washed biomass without alkali and alkaline earth metals (AAEM) were investigated by a thermogravimetric analyzer (TGA) and a fixed-bed reactor. In these experiments, six types of biomass were used and the contents of cellulose, lignin and AAEM species in the biomass were measured. It was observed that the characteristic of biomass pyrolysis and gasification was dependent on its components and AAEM species on the basis of TGA experiments. During biomass pyrolysis, the tar and gas yields increased with the growth of cellulose content, but the char yield decreased. There were two reactions indicating two major decomposition mechanisms. The first stage of decomposition showed rapid mass decrease due to the volatilization of cellulose, while the second stage became slow attributed to the lignin decomposition. The higher the cellulose content, the faster the pyrolysis rate. In contrast, the pyrolysis rate of biomass with higher lignin content became slower. In addition, the rises of cellulose content elevated the peak temperature of gasification and prolonged the gasification time. Meanwhile, the effect of AAEM species on gasification behavior was studied by comparing unwashed and acid-washed biomass. AAEM species increased the peak gasification value, whereas decreased initial gasification temperature. It revealed that the activity of biomass gasification was attributed to the interaction between AAEM-cellulose/lignin.     

气化剂预热温度对加压湍动循环流化床煤气化的影响

在实验室规模加压湍动循环流化床气化炉上,研究了气化剂预热温度对煤气化特性的影响。结果表明：气化介质温度从400℃提高到700℃后,煤气热值增加21%;煤气中可燃组分H₂和CO浓度分别从10.55%和9.57%提高到13.62%和13.12%;不可燃组分N₂和CO₂浓度分别从61.03%和16.14%降低到57.03% 和13.7%;甲烷含量变化较小;冷煤气效率由49.3%增加到56%。碳转化率和干煤气产率随气化剂预热温度的不同变化较小。实现了循环流化床提升段下部湍动流化、上部环核流动的特殊流场结构,与已有研究结果相比,煤气热值、煤气产率、冷煤气效率都略有提高,更加适合煤气化。     

RDX基可燃材料的热力学性能,非等温反应动力学及安全性研究

用TG和DSC研究了RDX基微孔可燃材料的热行为,用非等温DSC研究了其放热反应动力学,用Kissinger和Ozawa方法计算了可燃材料的动力学参数;基于Kissinger方法,研究了组分间的相容性;采用耐热和吸湿试验进行了微孔可燃材料的耐热性和吸湿性评价.结果表明,可燃材料的分解被看作是两步反应:第一阶段是吸热熔融反应,无质量损失,第二阶段是放热反应,有质量损失;用Kissinger和Ozawa方法得到的活化能相近,可燃材料的活化能均低于纯RDX的分解活化能;黏结剂PMMA、CA与固体填料RDX相容性好,相容性等级为1级;热爆炸临界温度与RDX相近.新型微孔可燃材料的其他性能优于传统可燃材料.     

Potential approaches to improve gasification of high water content biomass rich in cellulose in dual fluidized bed

Biomass containing water of 30-65 wt.% and rich in cellulose, such as various grounds of drinking materials and the lees of spirit and vinegar, is not suitable for biological digestion, and the thermal conversion approach has to be applied to its conversion into bioenergy. The authors have recently worked on converting such biomass into middle heating-value gas via dual fluidized bed gasification (DFBG) integrated with various process intensification technologies. This article is devoted to highlighting those technical ways, including the choice of the superior technical deployment for a DFBG system, the impregnation of Ca onto fuel in fuel drying, the integration of gas cleaning with fuel gasification via two-stage DFBG (T-DFBG), and the decoupling of fuel drying/pyrolysis and char gasification via the decoupled DFBG (D-DFBG). The attained results demonstrated that the superior deployment of bed combination for the DFBG should be a bubbling/turbulent fluidized bed gasifier integrated with a pneumatic riser combustor. In terms of improving efficiency of fuel conversion into combustible gas and suppressing tar generation during gasification, the impregnation of Ca onto fuel exhibited distinctively high upgrading effect, while both the T-DFBG and D-DFBG were also demonstrated to be effective to a certain degree.     

新型煤气化炉内温度场影响因素研究

采用电热还原的方法将固体煤转化为可燃气体（煤气），为煤的气化提供了一条新思路．通过研究煤新型气化炉内温度场的成因以及各因素对温度场的影响，获取了不同高度空间温度场的主控因素．实验结果表明，气化功率、煤的种类、集气罩材料和排气速率等对气化炉内温度场均有较大影响；气化炉内的炉表近区域温度场主要由辐射场控制，集气罩近区域温度场受对流场控制．研究成果为煤新型气化温度场控制和气化炉经济密封高度的选择提供了依据．