CO2气氛下生物质焦炭非催化气化动力学通用模型构建

The reaction of char with CO2 is the main reaction in the biomass gasifier and the research of char gasification is of great significance for the optimization design of the gasification equipment. Considering that the current gasification model parameters lack the criteria and theoretical basis to follow, the project will try to clarify the biomass non-catalytic gasification kinetics under the CO2 atmosphere. Regarding the generation law of char active site as the research starting point, and then introducing the reaction equation based on transition state theory, the researches on the following four aspects will be carried out using the research methods combining the theoretical analysis, numerical modeling and principle experiments, such as the biomass char chemical reactivity, the biomass char gasification kinetics, the effect of CO2 diffusion on the gasification process and the numerical simulation of biomass char gasification process. This project will build up the two relationships, one is the char type with its chemical reactivity, and the other is the gasification conditions with the chemical reaction kinetic parameters. As a result, the three key models, which are used to predict the char reactivity, char gasification rate and the diffusion effect, will be developed. By comparison with the experimental results, the project will supply a general modeling method finally for the biomass char non-catalytic gasification process under the CO2 atmosphere, which can be used to improve the gasification theory and the engineering design accuracy.

焦炭与CO2 的气化反应是生物质气化炉内的主要反应方式之一，焦炭气化模型的研究对于气化设备的优化设计具有重要意义。针对现有气化模型参数缺乏可遵循的准则和理论依据积累的现状，项目将以澄清生物质快速热解气化反应过程中非催化气化动力学机理为切入点，从焦炭活性位生成规律出发，引入基于过渡态理论的反应方程，采用理论分析、模型构建和原理性实验相结合的方法，进行生物质焦炭化学活性、生物质焦炭气化反应动力学、CO2 扩散对气化过程的影响、焦炭气化过程的数值模拟等四个方面的研究，重点探索和建立焦炭化学活性和种类、化学反应动力学参数与气化条件之间等两个关键关系，并以此为基础构建焦炭活性预测、焦炭气化反应动力学及扩散-动力联合控制气化等三个通用模型。通过与实验结果的对比、验证和优化，最终提出一种适用于CO2 气氛下不同生物质焦炭非催化气化过程的模拟方法，为丰富气化理论和提高气化炉的设计精度做出贡献。

作为气化过程的载体和核心设备，气化炉设计方法和结构的合理性取决于对生物质气化机制把握的全面和深入程度，而通用气化模型的缺乏，已成为生物质气化研究人员面临的一个亟待解决的问题和难点。目前多数生物质气化动力学模型是基于特定实验样品和操作条件下的经验模型，缺乏通用性，很难为气化规律的把握和气化炉的设计提供有效的理论支持。本项目从这一突出问题出发，确立了气化动力学参数活化能、指前因子及结构函数分开研究及建模的思路，采用理论分析、模型构建及实验测量相结合的方法逐步开展研究。首先，利用现代表征手段（XRD、SEM、ICP-OES）分析了生物质种类、脱灰处理对生物质焦结构特性（碳化程度、晶相结构、表面形貌、无机成分）的影响，将生物焦的气化反应活性与其结构特性进行了关联，分析结构特性及无机金属元素对于焦炭反应性的影响；其次，分别针对11种生物质原焦以及6种脱灰焦进行了等温气化实验，获得了各生物质焦的反应速率与碳转化率之间的关联性，通过特殊的无量纲处理和分析，探索了不同气化条件下焦炭气化转化过程中动力学参数的演变规律；再次，从活性位的基本概念出发，针对17中生物质焦，通过推导建立了活化能的通用计算模型，发现各焦炭的活化能与催化剂所占据的活性位比例之间存在良好的对应关系；更进一步地，选择难度更大的指数前因子，从焦炭微观孔隙结构的宏观化分析出发，结合简单碰撞理论、结构分形理论以及热退火理论，针对非催化状态下的脱灰焦，考察了纤维素、半纤维素以及木质素等不同化学结构的特点，分析了孔隙破碎以及热退火对于焦炭孔隙结构演变的影响，找出了表征指数前因子大小的关键组合参数，通过与实验结果进行比对、验证和优化，最终给出了具有燃料适应性、精度适当、经验参数极少而具有明确物理意义的通用计算式。研究结果可为改变目前气化动力学规律研究的无序状态以及深入把握生物质热转化规律之间的联系做出学术上的贡献。