基于解耦三床气化系统生物质化学链气化制合成气研究

Syngas gas from chemical looping biomass gasification turn out to be a promising biomass conversion technology. Syngas gas production from chemical looping gasification of Xinjiang cotton stalk will be conducted in decoupled triple bed gasification system using Ni/Cu/olivine as oxygen carrier. Within this scope, the redox cycling, deactivation-regeneration and in-situ tar destruction behavior of the oxygen carrier in the circulation loop between three decoupled reactors, namely pyrolyzer, reformer and combustor, will be investigated. The relationship between the activity of the oxygen carrier, reaction condition and target product will be studied. This work is expected to be helpful in engineering aspects to syngas production by chemical looping gasification of biomass.

生物质化学链气化制合成气是非常具有发展前景的生物质能源转化技术。本课题拟选择新疆典型的秸秆原料（棉秆）作为气化原料，以Ni/Cu/olivine作为载氧体，以解耦三床气化系统为主要研究平台，对生物质化学链气化制合成气机制开展研究。与此同时，阐明载氧体在热解、重整、燃烧等三个反应器中的氧化-还原和失活-再生机制、焦油原位催化裂解规律，并着重从传热、传质的角度研究载氧体活性、反应条件间与目标产物之间的关系。本项目的研究结果将为生物质化学链气化制合成气工艺的工程应用提供理论依据。

生物质化学链气化是一种新型的气化技术，具有比传统气化方式更高的能源利用效率。载氧体在化学链气化过程中发挥着举足轻重的作用，具有载氧和催化双重作用。研究以廉价橄榄石（Olivine）作为载体、氧化镍和氧化铜作为活性组分制备了铜/镍负载橄榄石（CuO/NiO/olivine）载氧体。利用热天平、固定床反应器、微型流化床反应器、解耦三床反应器等多种手段，在不同工艺条件下进行了生物质化学链气化制合成气研究。揭示了Cu/Ni复合比对载氧体氧化还原特性的影响规律。阐明了棉秆在Cu/Ni/olivine载氧体存在条件下化学链气化特性和产气分布规律。建立了棉秆化学链气化形成H2、CO、CO2、CH4等主要气体的规律和气体形成动力学。掌握了解耦三床气化反应器中生物质化学链气化和焦油催化裂解之间规律、载氧体在不同反应器中的氧化还原机制，反应条件和产气组成之间的关系。研究结果表明、CuO/NiO/olivine载氧体在多次化学链气化循环过程中由于能够保持较好的晶相组成而展现出较好的反应活性。Ni/Cu复合比例的增加有利于催化性能的增加，并展现出一定的协同作用。适量水蒸气的添加，具有较好的消积碳作用，其能使催化剂的活性保持较好的稳定性。棉秆与15Cu/O、15Ni/O和9Cu/6Ni/O的化学链气化活化能分别为81~103 kJ/mol、116~147 kJ/mol和99~133 kJ/mol，所制备的载氧体在转化率和活化能方面都可以成为适合化学链气化的载氧体。在解耦三床反应器中NiO提供的晶格氧的作用下，生物质挥发分进一步催化形成富氢气体。载氧体中的NiO被还原形成金属Ni。金属Ni的形成大幅度降低了气体中焦油含量，同时增加气体中的H2含量。研究成果有望为生物质化学链气化技术的开发和放大提供基础数据和理论支撑。