高原缺氧环境下湿基生物质气化机理研究

Industrial biomass wastes such as from Chinese pharmaceutical factory and brewery are quite abundant. Those wastes are easily collected and used on moderate scale, and therefore are important biomass resources. Industrial biomass wastes may be called as wet biomass due to high content of moisture. Up to now lack of research has been made on wet biomass. There is also abundant wet biomass in Tibet. This project is focusing on conversion of wet pharmaceutical wastes in Tibet by gasification with gas product supply. Tibet is featured with highland of lack of oxygen, and appears a very special condition for gasification of wet biomass. The main context of project includes: investigation of wet biomass properties, gasification performance of wet biomass under highland of lack of oxygen, investigation of NOx precursor during wet biomass gasification, and modeling and validation of wet biomass gasification process. The research should provide the basic support to shape wet biomass gasification technology which is benefit for Tibet and further all over the China.

工业生物质废弃物，量大集中，易于工程化应用，是重要的生物质资源，含水率高达60~80%，也称湿基生物质。受到行业限制，其研究缺乏重视。西藏有多家藏药企业和青稞酒酿造企业，每年产生不少湿基生物质。因此思考如何高效清洁使用湿基生物质来满足用户燃气需求，降低企业支出，同时消减污染物排放。考虑到西藏高原缺氧条件，本项目研究高原缺氧环境下湿基生物质气化机理，具体包括：西藏高原湿基生物质特征分析、高原缺氧环境对湿基生物质气化性能的影响规律、湿基生物质气化污染物前躯体的排放特征、湿基生物质气化过程模拟与计算，着重于阐明湿基生物质高含水率引发的水分输运现象及其与气化反应的耦合规律，揭示高原缺氧环境下气化反应器内氧量分布、压力变量、反应历程变迁引起产物分布变化规律。研究成果可为形成适合西藏药渣气化技术提供理论依据，拓展到发展西藏农牧区青稞等高含水率生物质气化技术和全国。项目创新与特色鲜明，理论意义与应用价值重要。

西藏缺氧环境下生物质气化具有其特殊性，缺氧条件与高含水率的影响机制研究缺乏，耦合作用下污染物排放机理尚未明晰。因此，本项目以藏药药渣、牦牛粪为主要研究对象，通过ArcGIS软件建立了西藏高原湿基生物质特征数据图谱，发现西藏生物质能与常规一次能源蕴藏潜力分布呈互补状态。结合物料理化特性，从反应温度、气体流速、海拔梯度、含水率等方面，全面解析了高原缺氧对湿基生物质气化反应机制的影响。低压下，高含水率对芳香性的C=C，-CH2，-CH3基团断裂有显著影响，且使焦炭结构更为丰富。低压导致湿基生物质表面与外部环境的对流热交换效率降低。结合连续耦合反应动力学机理研究表明，湿基生物质气化阶段存在竞争性平行反应，水蒸气与焦炭反应路径的活化能为100.01 kJ/mol，水蒸气与固定碳反应路径的活化能为309.67 kJ/mol，气化阶段的指前因子为9.98×1016 s-1。揭示了缺氧环境与含水率协同作用下湿基生物质高效清洁气化机理。通过HCNO、酰胺基团在多种氛围下的转化机理推论，阐明了高原缺氧环境下湿基生物质气化污染物前驱体的排放特征。多种资源化技术的环境效益估算表明，村镇级气化可产生高达4420MJ/年的能量，且较直燃等技术，SO2和NOx排放量降低72-97%。基于Aspen Plus和本项目提出的气化产物预测T-ANN模型对高原缺氧环境下气化过程进行了模拟计算，得出温度1000°C、空气当量比0.33、原料含水率20%时达最优工况，并推测出可燃气组分比例，对气化技术进行了西藏地区的针对性优化，填补了高原湿基生物质气化模拟研究的空白。.基于项目所取得的进展和成果，项目组申报国家科技进步奖二等奖（已通过初评），获得天津市专利金奖、天津市技术发明一等奖、中国可再生能源科技进步一等奖、生态环保部环境保护科学技术一等奖。累计发表论文52篇（SCI论文45篇），授权专利3项，申请专利17项，授权软件2项。培养博士生1名，硕士生7名。项目负责人两次组织了生物质能源与环境国际会议，重点讨论西藏生物质气化技术与应用。本项目丰富了湿基生物质气化在高原环境下的科学内涵，研究成果为高原地区湿基生物质气化技术发展提供理论支撑，具有重要的理论意义与应用价值。