生物质与煤共气化的多元双向协同作用及机理研究

Co-gasification of coal and biomass is a novel energy conversion technology with great developing potential. Exploration and utilization on the complementary advantages and synergies between biomass and coal have got extensive concerns both domestic and abroad. Although many researchers have conducted lots of experimental studies on the synergy phenomena and achieved some progress, there are still some prominent issues, i.e. current studies have only paid attention to the one-way synergy causing by the alkali metals in biomass, and neglected the influence of coal properties on the results of co-gasification. Also, there are lacks of both complete and systematic research and demonstration on the formative reason and mechanism of the synergy. In this project, we construct a complementary advantages-oriented co-gasification program, using potassium (K)-rich biomass and calcium (Ca)-rich coal as a blending feedstock. We further propose a hypothesis of the plural and bi-directional synergies based on interactions between potassium in biomass and calcium in coal. With aid of combining scientific experimental methods and a set of advanced analytical techniques, the following objectives will be accomplished in the project: (1) to systematically verify the plural and bi-directional synergies between K-rich biomass and Ca-rich coal during co-gasification, (2) to reveal the formative essence and mechanism of the synergetic effects; and (3) to make clear the optimal regulation method of the key synergetic factors. The results can provide both theoretical basis and practical guidance for developing more advanced co-gasification processes.

生物质与煤共气化是一项极具开发潜力的新型能源转化技术。探索利用生物质与煤的优势互补及协同作用来提高共气化系统的整体能效是国内外关注的学术热点和前沿课题。虽然国内外研究者对生物质与煤共气化过程中的协同作用现象进行了较多的实验研究并取得了一定进展，但仍存在一些较为突出的问题。主要表现在现已开展的研究只把注意力集中在生物质中的碱金属对煤气化的单向协同作用上，忽视了煤质特性对共气化结果的影响，对协同作用的形成原因及机理缺乏全面系统的研究与论证。本项目以优势互补原理为导向，构建以富钾生物质和高钙煤为原料组合的共气化研究设想，提出基于生物质中碱金属与煤中钙基矿物质交互作用的多元双向协同作用理论假设。以科学的实验方法与先进的分析表征技术相结合，对共气化过程中的多元双向协同作用进行系统性的实验验证，揭示协同作用形成的本质及机理，明确关键要素的优化调控，为开发更为先进的生物质与煤共气化工艺过程提供理论参考。

生物质与煤共气化是一种清洁、高效开发利用生物质能源和煤炭资源的新型能源转化方式。近几年，对共气化过程中的互补效应和协同效应的研究引起了国内外广泛关注。为了揭示协同作用形成的本质及机理，发掘协同增效作用的多元、双向利用，本项目以科学的实验方法与先进的分析表征技术相结合，对共气化过程中的多元、双向协同作用进行系统性研究，取得了以下重要成果：.（1）开发了基于全等量热重分析的共气化协同效应评价新方法，系统研究了煤质特征、生物质种类、矿物质组成以及共气化温度对协同效应的影响。结果表明，协同作用始于生物质完全气化后灰相的生成，富钾生物质与低灰煤共气化产生的协同效应最强。.（2）利用X射线能谱（EDS）表征和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）分析与共气化实验相结合，确认了共气化过程中富钾生物质钾的迁移及其协同催化效应，从而揭示了协同作用形成的本质及机理。结果表明，煤与生物质共气化既可以抑制生物质中碱金属的挥发，降低对设备的腐蚀，又可以充分发挥碱金属对煤焦的催化作用，充分证明了煤/生物质共气化技术应用的科学合理性及其工程实践意义。.（3）研究了生物质烘焙预处理对固体产物性质及其与煤共气化协同效应的影响。结果表明，生物质烘焙预处理不仅可以提升固体产物的能量密度，而且可以促进钾、钙等催化活性组分在固体产物中的富集，从而提高烘焙生物质自身的气化反应性及其与煤共气化的协同催化效果。.（4）探索了富钙煤与生物质烘焙冷凝废液的协同转化方法。利用冷凝废液具有强酸性的物性特点，促进煤中钙基矿物质的分散性及其原位催化活性，从而提高煤的燃烧、气化效率，既实现了煤与生物质成分的共利用，又消除了冷凝废液任意排放或处理过程中可能造成的环境污染隐患，达到了一举两得的效果。.本项目的研究结果充分证明了煤与生物质共气化协同作用的多元、双向利用的可能性，为进一步深入开展煤/生物质共气化技术的研发、优化工艺技术路线提供了重要的理论依据。