基于褐煤离子交换特性的生物质/褐煤共气化过程催化转化机理研究

The principal problems existing in hydrogen-rich sygas production from biomass gasification are low thermal efficiency and high tar content. Optimization of the reaction conditions and development of the catalyst with high activity and low cost are required. Following our previous research, a novel Ni-loading brown coal catalyst is developed by ion-exchange method and biomass/brown coal co-gasification is investigated by density function theory and experiments. Mechanisms on adsorption, reaction and de-adsoption of tar at the catalyst's surface, and reaction dynamics are obtained. Independent and synergetic effects of Ni, coal char, alkali and alkaline earth mental species (AAEM) are analyzed. The resistance of coke formation and the ability of anti-deactivation of such catalyst are summarized as reactions paths and mechanisms. Heat recovery from the gasification residues is also proposed, to ultimately establish the combined system of biomass/brown coal co-gasification based on the ion-exchangeable characteristics. The research forms the fundamental basis of the biomass/brown coal's high-value utilization.

生物质气化制富氢合成气目前仍然存在着气化系统整体热效率较低与合成气焦油含量较高等问题，气化操作参数的优化方法还有待研究，高效低成本的催化剂还有待开发。本课题在前期工作的基础上，基于褐煤的离子交换特性，研发新型褐煤担载镍基催化剂；利用量子化学密度泛函方法和实验方法开展生物质/褐煤共气化过程中催化转化机理的研究；获得焦油在催化剂表面吸附、反应和脱附机理及反应动力学参数；探索镍、煤焦、碱金属和碱土金属成分的协同作用机理，获得催化剂抑制积炭、抗失活的反应途径与反应机理；寻求从气化反应残余物回收热量的方法，最终构建基于褐煤离子交换特性的生物质/褐煤共气化制氢的集成系统。本课题研究为实现生物质/褐煤的高值化利用奠定重要的基础。

本项目提出了基于褐煤离子交换特性的生物质/褐煤共催化气化的集成体系，结合理论分析与基础实验，研究了共气化过程的催化转化机理，获得了以低焦油高氢气浓度的合成气为目标产物的理论调控机制与基本调控方法。主要开展的工作包括：（1）研究了焦油高效分解的热力学本质，揭示了主要反应的竞争机制与积炭前驱体的转化特性，掌握了气体产率的变化规律；（2）研究了镍基催化剂的优化制备方法，揭示了催化剂在较低焙烧温度条件下的自还原特性；（3）研究了碱金属对催化剂结构及反应特性的影响，证实了Ni/C体系及Ni/K/C体系的良好催化活性；（4）构建了Tar-Ni/C催化体系的理论模型，掌握了不同焦油分子的表面吸附特性，揭示了不同焦油分子的表面脱氢/开环反应机理，并对不同反应机理的竞争性进行了定性与定量描述；（5）研究了镍/褐煤残渣催化焦油的反应特性，证实了多组分的协同催化作用，优化了催化反应条件；（6）提出并优化了多级循环耦合流化床设计方案，掌握了压力分布与物料循环规律，延长了焦炭在低速区的停留时间，达到了增强焦油在多组分协同作用下的催化转化程度，及减弱挥发分对焦炭气化的抑制等目的；（7）研究了生物质/负载镍的褐煤的共催化气化反应特性，掌握了热处理温度、水蒸气浓度等的影响规律，探明了催化反应条件与产物之间的关联机制，揭示了抑制积炭的反应途径，优化了多组分协同作用下的催化反应稳定活性。本项目的研究为实现生物质/褐煤共气化的高值化利用奠定了重要的理论基础和技术支撑。