高含氮木质废物化学链气化定向调控制备高品质合成气基础研究

The widespread use of wood-based panels has led to an increase in the total amount of high-nitrogen-containing wood wastes. If not properly disposed, it will cause serious environmental pollution. The application of chemical looping gasification (CLG) to disposal the high-nitrogen-containing wood wastes can realize its energy utilization, which not only has good environmental effects, but also produces some economic benefits. In this project, we intend to use cheap natural iron ore as the body material of oxygen carrier, and then introduce active metal or foreign ions for doping modification to improve the reactivity of iron ore. The kinetic characteristics of oxygen carrier, migration and transformation of lattice oxygen, and synergistic effect between different active components will be discussed. And the results will provide theoretical guidance for initiative design of high active oxygen carrier. In order to obtain the mechanism of in-situ removal tar and nitrogen pollutants, the molecular structure evolution, component formation/change or transformation of tar and the release mode, migration path, pollutant formation and competitive reaction of nitrogen element during the CLG process will be investigated in detail. Combining with the directed evolution of C/H elements and the high efficient removal of N element, the competitive reaction mechanism of C/H/N elements directed conversion is elucidated. Additionally, the service behavior of oxygen carrier particles during the long time running will also be evaluated. Finally, regulate process parameters to achieve stable acquisition of high quality syngas. The project study will provide a new way for clean, high efficient and low-cost energy use of high-nitrogen-containing wood wastes with potentially environmental pollution.

人造板的广泛使用产生大量高含氮木质废物，若不妥善处理将引起严重的环境污染。将化学链气化技术应用于高含氮木质废物的能源化利用，不仅具有良好的环境效应，还能产生一定的经济效益。本项目以廉价的铁矿石为载氧体基体，引入活性金属或外源异质离子掺杂改性以提高铁矿石的反应活性，研究气化中载氧体动力学特性、晶格氧迁移转化、活性组分耦合协同，揭示载氧体化学反应的作用规律，为高活性载氧体的主动设计提供理论指导；探讨载氧体对焦油分子结构演化与组分生成、变迁或转化的作用规律，研究气化中氮元素的释放、迁移路径、污染物的生成与竞争反应，获得载氧体原位脱除焦油及含氮污染物的作用机理，结合C/H元素的定向演化、N元素的高效脱除，阐明C/H/N元素定向转化间的竞争反应机理；评价载氧体在长期运行中的服役行为，调控过程参数稳定获取高品质合成气。项目研究将为具有潜在环境污染的高含氮木质废物清洁、高效、低成本能源化利用提供新途径。

将化学链气化技术用于人造板、污泥等高氮有机固体废弃物的处理，既能将高氮有机固废转化为高品质合成气，又能有效脱除转化过程中产生的含氮污染物和有机污染物，具有明显的环境与经济效益。本项目首先以工业固废/天然铁矿石为基体，通过外源金属离子改性制备出一系列改性铁基载氧体；然后将其用于两种高氮有机固废（人造板和污泥）的化学链气化实验研究，筛选出既能实现有机固废高效气化，又能有效脱除含氮污染物和有机污染物的高性能铁基载氧体；最后探讨了载氧体中主要活性组分的晶格氧迁移规律。研究发现：铜渣经过高温活化后，可作为载氧体使用，其中1100℃煅烧条件下产生的铜渣氧化活性最好；采用20%Ni改性铜渣载氧体，可获得较好的气化效果，污泥碳转化率和燃气低位热值分别为87.09%和12.63 MJ/m3；载氧体的存在使NOx前驱物中的NH3-N减少了44%，Tar-N减少20%；污泥中的燃料氮迁移包含两个阶段的反应：（StageⅠ）燃料氮的自热分解过程和（StageⅡ）焦油氮和半焦氮在晶格氧[O]的氧化和自由基作用下生成N2；添加NiO可提升赤铁矿的焦油裂解性能，与空白样相比，苯裂解率提升20%。Ni改性载氧体的主要活性成分为NiFe2O4，晶格氧释放过程为：Ni原子先脱离载氧体尖晶石结构，随后Fe-O键逐渐开始断裂，由于Ni原子全部脱离尖晶石结构导致Ni-O键和Fe-O键产生的晶格氧畸变消失，晶格氧活性减弱，最后形成Fe(Ni)合金物相；晶格氧恢复过程：Fe(Ni)合金活化二氧化碳并夺取气相氧原子转化为载氧体中晶格氧，但无法完全恢复至初始状态，经空气氧化后恢复NiFe2O4。本项目集功能材料、能源转化、环境保护等领域为一体，具有重要的现实意义，项目成果将为工业生物质类废弃物清洁、高效、低成本能源化利用开辟新途径。本项目共发表论文22篇，授权（申请）发明专利4项，以本项目为基础，项目负责人获得国家自然科学基金面上项目资助（52076209）、广东省自然科学基金杰出青年项目资助以及广东省自然科学技术一等奖（排名第三）。