多因素耦合作用下稻秆热解初生半焦CO2/H2O气化反应机理

Straw biomass, especially rice straw, is usually characterized by high ash content, low heating value and high alkali metal content. Problems may easily arise in meeting the needs of gasification efficiency and system stability when straw biomass is utilized via gasification. The char gasification is an important process which imposes major restrictions on gasification rate and complete carbon conversion and acts as a determinant factor for coking. Thus research on mechanism and characteristics of the char gasification plays a key role in improvement in gasification technology. Rice straw is selected as a typical subject to be investigated. This project aims to gain insight into issues about nascent char gasification reactivity and help to solve problems mentioned above. Since the straw biomass is characterized by high volatile content, high char reactivity, high alkali and alkali earth metal content with complex form, volatile-char interactions have a significant influence on their char reactivity. Special attention is paid to the difference of characteristics between nascent char and non-nascent char. This project also studies the interactions among three factors which influence the gasification reactivity, including char morphology, volatile-char interactions and behavior of inorganic species. The integrated effect of these factors on char reactivity is highlighted. Furthermore, the project establishes kinetics model for nascent char CO2/H2O gasification and obtains parameters for process optimization. The implementation of this project will provide fundamental data and theoretic reference for high-efficiency gasification of straw biomass.

秸秆类生物质尤其稻秆具有高灰分、低热值和高碱金属含量的特点，进行气化利用时常有气化效率低和结焦等问题。半焦气化是限制气化速率和气化完全进行的重要阶段，对其机理和特性的研究是改进气化工艺的关键。本项目以具有代表性的稻秆为研究对象，拟通过对其热解初生半焦气化反应性进行系统研究，指导解决秸秆类生物质气化中遇到的共性难题。 由于秸秆类生物质挥发分含量高、半焦反应性强、碱和碱土金属含量高且存在形态复杂，挥发分和半焦相互作用对其半焦的气化反应性有着无法忽视的影响。本项目对稻秆热解初生半焦和非初生半焦的气化反应性进行比较研究；分析挥发分和半焦相互作用对碱和碱土金属的迁移赋存、半焦结构特性的影响；研究这些因素之间的相互关联和对半焦气化反应性的综合影响；构建多因素耦合作用下稻秆热解初生半焦CO2/H2O气化反应动力学模型，获得半焦气化过程优化参数，为秸秆类生物质的高效气化利用提供基础数据和理论参考。

半焦气化和结焦是限制气化速率和气化完全进行的关键，关于其特性和机理的研究对改进生物质气化工艺具有重要意义。本项目以秸秆类生物质为主要研究对象，研究生物质新生半焦气化反应特性，探索V-C作用、AAEM催化、半焦结构变化等因素之间的关联及其对半焦反应特性的综合影响，获取反应动力学参数，探索灰渣烧结熔融特性，以期达成改进气化炉和优化气化过程控制条件的目标。. 首先，对新生半焦与冷态半焦的气化特性进行了对比研究。结果表明：新生半焦气化反应性明显大于冷态半焦。在冷却再升温过程中，半焦残留的有机官能团发生了进一步的断裂和重组，析出挥发分并生成更稳定的芳香结构；半焦中金属元素与碳基质形成了更稳定的联接，使其催化活性减弱。. 其次，利用两段式热解气化装置研究了V-C作用对半焦气化反应性的影响。结果表明：V-C作用下半焦产率略有提高，挥发分与热解半焦发生二次反应，形成碳沉积； V-C作用减少半焦活性官能团的数量，降低了半焦气化反应性; 高温、水蒸气存在的情况下，V-C作用对半焦气化反应性的影响更加显著。. 再次，对半焦CO2、H2O气化过程孔隙结构与反应性的变化规律、以及二者的内在关系进行了考察。结果表明：CO2气化反应是一个不断形成微孔而湮没介孔结构的过程，H2O气化过程以扩孔效应为主。在CO2/H2O混合气化过程中，会出现抑制、独立、协同等3种不同的效应，这与气化介质的绝对流量和相对流量有关。在1.25 g半焦、CO2 100 mL/min、H2O 1.04 g/min条件下，气化过程在转化率x<23 %时表现为协同效应，x>23 %为抑制效应。. 最后，结合电容测试装置和莫氏硬度研究了秸秆灰烧结熔融特性。结果表明：加热时间不影响烧结程度，麦秆在烧结温度835 oC下的理论烧结时间为5 min。不同气氛下，秸秆灰的烧结熔融温度不同，且氧化性气氛下更易于形成硅酸钾等低温共熔体，烧结和熔融温度均略低于还原性气氛与惰性气氛。