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。     

生物质废弃物催化气化制取富氢燃料气

利用生物质氢可以实现 CO2 归零的排放 ,从根本上解决化石能源消耗带来的温室效应问题 ,已引起了世界各国研究者的普遍兴趣 .介绍了生物质催化气化制取富氢燃料气的研究概况 ,给出了生物质催化气化制氢的典型流程 ,讨论了在气化过程中发生的主要化学反应以及影响燃料气组成和焦油含量的一些主要影响因素 ,如气化介质的不同及催化剂的应用等     

生物质热解和气化制取富氢气体的研究现状

随着世界能源和环境问题的发展,洁净的氢能源成为备受关注的新能源。目前,生物质热化学法作为制取富氢气体的有效方法而被广泛研究。本文系统地介绍了国内外通过生物质热解和气化制取富氢气体的研究现状,包括热解气化工艺、物料特性、热源类型、反应条件、气化剂及催化剂等对制取富氢气体的影响。重点介绍了不同类型催化剂在生物质热解和气化反应中的应用,以及催化剂在制取富氢气体方面的优势及其作用机理。提出生物质热解和气化制取富氢气体所面临的主要问题是寻求既高效又寿命长的新型或混合型催化剂,或者从工艺、反应器的改进入手,改善催化剂的催化环境,从而解决其失效问题。     

生物质制氢技术研究进展

对生物质的裂解和气化制氢技术进行了归纳总结,单纯使用生物质裂解或气化制取氢气效果并不理想,使用催化剂裂解气化能够明显提高产气率和产氢率,为以后大规模生物质制氢提供了理论依据。最后简单介绍了本课题组的生物质一体化制氢技术。     

生物质下吸式气化炉气化制备富氢燃气实验研究

以制取富氢燃气为目标,在自热式下吸式气化炉反应器内,进行了生物质下吸式气化炉富氧/水蒸气及空气气化的制氢特性研究。实验结果表明,与空气气化相比,富氧/水蒸气气化可显著提高氢产率和产气热值。在实验条件范围内,最大氢产率达到45.16 g/kg;最大低位热值达到11.11 MJ/m3。在富氧/水蒸气气化条件下,燃气中H2+CO体积分数达到63.27%—72.56%,高于空气气化条件下的52.19%—63.31%。富氧/水蒸气气化条件下的H2/CO体积比比值为0.70—0.90,低于空气气化条件下的1.06—1.27。实验结果证实:生物质下吸式气化炉富氧/水蒸气气化是一种有效的制取可再生氢源的工艺路线。     

生物质化学链气化制取合成气模拟研究

利用Aspen Plus软件建立生物质化学链气化制取合成气模型,对铁基生物质化学链气化制取合成气进行模拟计算,分析气化过程中温度和压力等因素变化对生物质气化制取合成气的影响,探讨了氧载体存在对生物质气化过程的影响.结果表明,H2和CO是生物质化学链气化产生的合成气中最主要的两种产物,气化温度的提高对气化过程是有利的,而压力的提高降低了气化效果,气化温度在800℃～850℃较为适宜;载氧体的存在能显著提高合成气的产率.     

结构参数和操作参数对生物质气化制氢技术的影响

生物质气化制氢技术不仅是一种清洁能源技术,而且有助于缓解我国能源压力,优化能源结构。介绍并对比了生物质制氢的主要方法,包括生物法和热化学法制氢技术。热化学法制氢技术的工业化发展较受关注,主要包括气化法、热解法和超临界转化法,其中气化法因产氢量高、废弃物少和工艺要求较易实现等优点,成为目前热化学法制氢的主要方法。阐述了生物质气化过程的基本原理,分别从结构参数(物料特性、气化剂、气化炉种类、催化剂)和操作参数(反应温度、当量比、水蒸气配气比)系统地分析了影响生物质气化过程的主要影响因素及其变化规律,指出应从优化结构参数和操作参数上促进生物质气化制氢技术的发展。     

生物质气化制取合成气的模拟

阐述了利用串行流化床制取生物质合成气的技术,该技术将生物质气化过程与燃烧过程分开,气化反应器和燃烧反应器之间通过床料进行热量传递,并通过生物质补燃实现自供热。利用ASPEN PLUS软件建立了串行流化床制取合成气的模型,通过将模拟数值与实验结果相比较,验证了模拟研究的可行性。重点研究了气化温度、水蒸汽与生物质的质量配比(S/B)对制取生物质合成气的影响。结果表明,为获取较高品质的生物质合成气并得到较高的碳转化率、气化份额和合成气产率,气化温度以650～800℃为宜,S/B应在0.2～1.0之间。     

熔融碱热解生物质制氢

利用熔融碱作为反应催化剂、分散剂和热载体,热解生物质原料制备富氢气体,提供了一种生物质制氢的新途径。在自行设计的生物质热解反应器中,以熔融碱NaOH热解水稻秸秆,初步探讨了熔融碱热解生物质制氢机理,考察了热解温度和热解反应时间等因素对生物质热解制氢过程的影响。结果表明:熔融碱热解生物质制备富氢气体,可以显著提高气体产物含量和氢产率,气体产物中氢含量随热解温度先降低后升高,而氢产率随之逐渐提高,在550℃时达70.82 g/kg生物质;氢含量和产率均随反应时间的增加而逐渐减小。研究对熔融碱热解生物质制氢具有一定的理论指导意义。     

生物质热化学转化合成二甲醚

在鼓泡流化床反应器内，采用空气-水蒸汽气化松木粉制备了富氢燃气，在下游的固定床重整反应器内，通过添加沼气重整富氢燃气，调变化学当量比，制备了含氮的生物质合成气. 在Cu-Zn-Al/HZSM-5催化剂上，对生物质合成气一步法合成二甲醚进行了实验研究. 在280℃, 4 MPa, 1000~4000 h-1的条件下，CO的单程转化率达到67%，单位质量催化剂的最大二甲醚时空收率0.358 g/(g×h) [DME/(催化剂×h)]；通过添加沼气重整，90%以上的生物质碳转化为合成气，二甲醚的最大产量为0.244 kg/kg (DME/生物质).     

木炭水蒸气催化气化制取合成气

以木炭为原料,选用KOH、K₂CO₃、KHCO₃、KNO₃为催化剂,在上吸式固定床气化炉中,进行水蒸气催化气化制取合成气实验。考察了不同催化剂、催化剂用量、水蒸气流量、气化温度对木炭水蒸气气化的炭转化率、产氢率、气体组成体积分数和H₂/CO值的影响。实验通过炭吸收催化剂溶液来负载催化剂,实验结果表明：4种催化剂都可提高木炭气化效率,在浸渍相同质量分数的催化剂溶液下,催化活性顺序为KOH>K₂CO₃>KHCO₃>KNO₃。碳转化率及产氢率都随着催化剂溶液浓度的增加而增大,但浓度过高增加趋势逐渐变缓,催化剂溶液质量分数在4%~6%较为合适。增加水蒸气流量,气体产物中H₂体积分数增大,H₂/CO值增大。升高温度可促进炭气化反应,950℃时碳转化率和产氢率分别达到98.7%和145.23g/kg。实验可得到H₂/CO比1.53~4.09范围间的合成气,可用于合成甲醇、甲烷、二甲醚等燃料。     

Bench- and Pilot-Scale Studies of Reaction and Regeneration of Ni–Mg–K/Al2O3 for Catalytic Conditioning of Biomass-Derived Syngas

The National Renewable Energy Laboratory (NREL) is collaborating with both industrial and academic partners to develop technologies to help enable commercialization of biofuels produced from lignocellulosic biomass feedstocks. The focus of this paper is to report how various operating processes, utilized in-house and by collaborators, influence the catalytic activity during conditioning of biomass-derived syngas. Efficient cleaning and conditioning of biomass-derived syngas for use in fuel synthesis continues to be a significant technical barrier to commercialization. Multifunctional, fluidizable catalysts are being developed to reform undesired tars and light hydrocarbons, especially methane, to additional syngas, which can improve utilization of biomass carbon. This approach also eliminates both the need for downstream methane reforming and the production of an aqueous waste stream from tar scrubbing. This work was conducted with NiMgK/Al₂O₃ catalysts. These catalysts were assessed for methane reforming performance in (i) fixed-bed, bench-scale tests with model syngas simulating that produced by oak gasification, and in pilot-scale, (ii) fluidized tests with actual oak-derived syngas, and (iii) recirculating/regenerating tests using model syngas. Bench-scale tests showed that the catalyst could be completely regenerated over several reforming reaction cycles. Pilot-scale tests using raw syngas showed that the catalyst lost activity from cycle to cycle when it was regenerated, though it was shown that bench-scale regeneration by steam oxidation and H₂ reduction did not cause this deactivation. Characterization by TPR indicates that the loss of a low temperature nickel oxide reduction feature is related to the catalyst deactivation, which is ascribed to nickel being incorporated into a spinel nickel aluminate that is not reduced with the given activation protocol. Results for 100?h time-on-stream using a recirculating/regenerating reactor suggest that this type of process could be employed to keep a high level of steady-state reforming activity, without permanent deactivation of the catalyst. Additionally, the differences in catalyst performance using a simulated and real, biomass-derived syngas stream indicate that there are components present in the real stream that are not adequately modeled in the syngas stream. Heavy tars and polycyclic aromatics are known to be present in real syngas, and the use of benzene and naphthalene as surrogates may be insufficient. In addition, some inorganics found in biomass, which become concentrated in the ash following biomass gasification, may be transported to the reforming reactor where they can interact with catalysts. Therefore, in order to gain more representative results for how a catalyst would perform on an industrially-relevant scale, with real contaminants, appropriate small-scale biomass solids feeders or slip-streams of real process gas should be employed.     

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。     

生物质气化制合成气技术研究进展

介绍了生物质气化制合成气技术的优势和主要用途,着重论述了国内外生物质气化制合成气技术的研究进展,对存在的主要问题进行了分析和探讨,并对该技术的前景进行了展望,指出新型气化合成技术、高效气化反应器以及高效催化剂是今后研究的重点.     

生物质气化技术及焦油裂解催化剂的研究进展

本文综述了国内外研究机构在生物质气化技术方面的研究进展,主要是对不同于传统气化炉结构的优化设计和对焦油催化裂解所用的催化剂的研究进行了评述,最后指出了进一步的研究与发展方向:如生物质气化反应器的模拟;焦油催化裂解反应机理的研究和动力学模型的建立。     

生物质低温气化催化剂的研究发展

物质气化技术已在国内外得到广泛的开发和运用,但由于燃气品位较差,焦油较多,限制了生物质气化气的进一步利用.近年来生物质的低温气化催化裂解已引起了国内外的广泛关注.分析了目前使用的各种催化剂对减少生物质气化焦油的生成和改进燃料气品质的作用结果,提出了进一步的研究方向.     

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。     

助剂钾对镍基催化剂性能影响研究进展

镍基催化剂是生物质气化及焦油转化过程中活性最高的催化剂之一,但容易因积炭失活影响寿命,降低制氢过程的经济性。添加助剂不仅可以有效提高催化剂的抗积炭能力,还可以提高催化剂的稳定性。本文综述了助剂钾对镍基催化剂抗积炭能力及反应活性的影响,分析了助剂钾影响积炭生成和积炭气化的机理。助剂钾能够提高镍基催化剂的抗积炭能力,抑制催化剂的烧结,提高催化剂的稳定性。未来的研究方向是进一步考察助剂钾的种类、添加方式对镍基催化剂的抗积炭能力及焦油转化活性的影响与本质原因,以制备出具有高活性、高抗积炭能力、长寿命的生物质气化镍基催化剂。