基于同步辐射技术探究煤焦和生物质焦共气化过程中的协同机理

With the rapid development of national economy and the quick increase of demand for energy, China is facing the huge pressure for the energy security and environmental protection. It is an effective way for the remission of energy pressures to develop the co-utilization of biomass and coal, because the biomass is renewable as the alternative energy sources. The development of co-gasification with the mixture of CO2 and H2O, as the multivariate gasification agent, achieves the recycling of CO2 as well as increase carbon resources. In view of this, we will investigate the synergistic mechanism during co-gasification of coal char and biomass char through the in situ- synchrotron radiation. Based on the rational design of in-situ reactor for the synchrotron radiation, and the dynamic analyses of the transformation and evolution of alkali metal components and carbon matrix from the element level, the synergy effects of different feedstocks during co-gasification are revealed. The aim of this work is to promote the gasification efficiency in light of the optimization of process conditions, finally realizes the double coupling of process conditions during co-gasification of coal char and biomass char by the mixtures of CO2 and steam. During co-gasification process of biomass char and coal char, some online analytical instruments are used to measure the composition of product gases, evaluate the gasification efficiency and create co-gasification kinetics model, providing the theoretical basis and technical support for the development of co-gasification of coal char and biomass char.

随着国民经济的快速发展和能源需求量的急剧增加，我国面临着煤炭消费日益增长所带来的能源安全和环境保护的压力。以生物质可再生资源作为部分替代能源，研发煤和生物质的共利用技术将是缓减能源压力的有效途径；以CO2和水蒸气作为多元气化剂，耦合CO2和水蒸气共气化技术在实现CO2再利用的同时又增加了碳源。为此，本项目拟将自行设计可进行同步辐射原位表征操作的CO2和水蒸气的共气化反应装置，考察生物质焦和煤焦共气化过程中的协同效应；借助于同步辐射表征技术，从元素层面上探究碳主体结构以及碱金属组分在共气化过程中的形态变迁，试图揭示生物质焦和煤焦共气化过程中存在的协同机理；优化工艺条件，最终实现煤焦和生物质焦，CO2和水蒸气共气化的双重耦合；对生物质焦和煤焦进行共气化小试实验，依据产品气组成的分析结果评价共气化效率，建立产品气的释放动力学模型以及共气化动力学模型，为生物质焦和煤焦共气化技术的开发提供理论依据。

以生物质可再生资源作为部分替代能源，研发煤和生物质的共利用技术将是缓减能源压力的有效途径。本项目以褐煤和生物质为研究对象，采集中国不同地区代表性高的多种褐煤以及不同特征的生物质，进行筛分，工业分析、元素分析、灰成分分析以及热重分析等性能表征，初步确定其基本特性；基于煤和生物质的物料差异性，利用热分析考察了煤和生物质热解特性的差异性，发现褐煤和生物质的热解特性不同，揭示了褐煤/生物质混合物的共热解过程中存在着协同效应，主要表现在促进了焦油的产生；针对生物质与褐煤共热解存在的协同效应做了进一步的探讨，发现生物质挥发分与褐煤热解过程的相互作用是引起协同效应的作为主要因素；通过对比煤与生物质的共热解焦和混合焦的反应活性发现共热解过程中存在的相互作用会通过改变焦样的化学结构，进而影响煤焦的反应活性；研究物料的差异对其反应性的影响，发现不同焦样的表观反应速率随着碳转化率的增加其变化规律明显不同；考察三种焦在不同气氛下的结构及反应性的演变规律，发现由于C-H2O和C-CO2反应路径不同，使得不同焦样在H2O/CO2共气化过程中都存在一定的协同效应；借助同步辐射技术发现生物质焦中AAEMs在气化过程中化学形态的改变是影响协同效应的关键；利用加压热解考察了煤焦与H2O和CO2的加压气化反应性及动力学，重点研究矿物质、气化剂分压对煤焦气化速率的影响，特别是混合气氛下的相互影响；通过烟煤焦和生物质焦、褐煤焦和生物质焦不同比例的混合，来考察煤焦和生物质焦共气化的协同效应；对比原煤焦和脱矿物质焦的气化反应性，发现煤中矿物质对C-H2O气化反应具有催化作用的同时，对水煤气变换反应也有着催化作用；基于以上研究，在实验室搭建了公斤级煤与生物质热解—气化耦合装置的，完成低阶煤热解-气化实验评价，为生物质和低阶煤分质分级利用提供一定的实验基础。