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高温水蒸气生物质催化气化的研究进展

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  摘要:在粮食加工副产物资源化利用的背景下,生物质气化技术成为生物质利用研究的重点内容。生物质气化技术的发展和应用,对推动生物质利用的节能化、环保化发展有着重要的意义。主要论述了高温水蒸气生物质催化气化的相关内容。

  生物质主要是指农林业生产的全部过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素(简称木质素)、农产品加工下脚料、农林废弃物及畜牧业生产的全部过程中的禽畜粪便等物资。生物质燃料是可再次生产的能源的重要组成部分,生物质燃料的高效开发利用,对解决能源、生态环境问题起到十分积极的作用。进入20世纪70年代以来,各国都在积极加大生物质能源化利用的研究和推广力度。以欧洲为例,其要求到2020年生物质燃料要替代20%的石化燃料。

  从实际应用角度来说,生物质高温蒸气气化,不仅仅可以维持反应器温度场的均匀性和稳定能力,而且水蒸气直接和生物质反应,使得气化反应强度和效率得以提升。相关研究表明,蒸气温度的增加,使得水分子活性增强,有助于蒸气还原反应以及重整反应的开展,有效提升了生物质燃气的氢含量。使用此技术时,结合使用催化剂,能够加快焦油催化裂解,同时能增加反应速率,优化燃气组分。以高温水蒸气作为生物质的氧化剂,结合使用催化剂的技术路线拥有非常良好的经济效益。

  Umeki等围绕高温蒸气直接氧化生物质开展了大量的研究[1]。其采用下吸式气化炉系统,借助甲烷燃烧释放的热量,对水蒸气加热,实现生物质气化。他们重点研究了气料比和蒸气温度等对气化组分以及热值造成的影响。从实验结果来看,提高气料比和蒸气温度,能够对可燃气组分造成一定的影响,气化炉出口燃气中氢气的含量最高能够达到55%;冷煤气的效率超过60.4%。学者经过分析提出:高温水蒸气气化反应中,二次反应相对剧烈,并且生物质一次裂解所产生的焦油能够和高温蒸气重整,使得可燃气中含有的焦油减少,认为此工况下进行气化,气化反应效果主要受水蒸气反应影响。

  很多学者基于瑞典皇家理工学院实验装置系统,对不同燃料的高温蒸气气化特性开展了实验研究。研究根据结果得出,气化燃气产量主要是受到一次反应的影响,比如挥发份的析出以及水气转换反应。当二次反应很强烈时,一次反应挥发的物质,比如焦油,和高温蒸气产生重整反应,进而时焦油含量和低温蒸气气化含量相比略少。此实验装置运行采用的高温蒸气,是利用甲烷在燃烧室经过燃烧后,产生热量,对热蜂窝陶瓷加热,当低温低压蒸气流过时,进行热量交换,使得低温蒸气达到高温状态。

  国内部分学者利用外加热源为气化反应提供所需的温度,也可以在一定程度上完成温度的稳定,同时不会刻意把控高温水蒸气的温度,进而减少了蒸气的使用量。通过改变炉体设备的制作流程与工艺,使得燃气量得以增加。根据现阶段研究情况,生物质高温水蒸气气化制取富氢实验,还处在起步阶段,多数工作是在实验室内进行,缺乏较为理论和系统的研究[2]。

  据不完全统计,每年我国农作物秸秆量在20~30亿t,若能利用生物质气化技术,实现资源化综合利用,将会获得较大的经济和社会效益。现结合生物质气化技术的应用,进行如下分析。

  生物质燃气是生物质在密闭缺氧条件下,利用热解法和热化学氧化还原法,产生的可燃性气体。生物质燃气的组分一般如下:1)一氧化含量为15.27%;2)氧含量为3.12%;3)氮含量为56.22%;4)甲烷含量1.57%;5)丙烷含量0.03%;6)丙烯含量0.05%。

  技术原理如下:植物秸秆的有机成分组成,以纤维素和半纤维素为主,质量分数约为50%。在缺氧的环境下,经过加热,能够使其产生热化学反应。反应过程实质是元素的原子,按照化学键成键原理,重组为可燃性气体分子,比如一氧化碳和甲烷等,以此来实现能量转移。在生物质燃气生产中,使用的生物质气化炉,也被称作高效生物质制气炉。

  利用热化学氧化还原法,将生物质制备成为合成气,主要技术路径:1)直接制备法。具体按照生物质—热解气化—合成液化流程,要解决的技术问题,为生物质原料运输供应。2)复合制备法。将生物质经过热解后生成生物油,接着,对生物油进行气化处理制备合成气。按照生物质—热解气化—生物油—合成液体进行,需要构建生物质液化工程[3]。

  结合当前有关于高温水蒸气生物质催化气化技术的相关研究,对此项技术进行了论述,并结合生物质燃气生产,分析了高温水蒸气生物质催化气化技术的具体应用。从技术应用层面,能够为集中供热和液体燃料供应等提供有力的支持,具有推广应用价值。

  [2]牛永红,吴会军,王忠胜,等.高温水蒸气生物质催化气化研究进展[J].应用化工,2018,47(03):570-575+579.

  [3]陈义胜,栾艳春,庞赟佶,等.褐铁矿催化作用下生物质高温水蒸气气化实验研究[J].热科学与技术,2016,15(01):75-80.

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