鄱阳湖水生植物气化过程中金属氧化物协同催化特性与结构优化研究

Poyang Lake Basin aquatic plants are rich in N, P, K, Ca, Mg and other elements. The low level of technology or the inappropriate process of biomass utilization not only leads to contamination, corrosion of system equipment, but also causes the metal contaminants to enter the food chain which is harmful to human health. So as to realize the efficient clean energy of biomass, the catalytic gasification of biomass takes the important step. The task of our researches are as follows: Thermal reaction characteristics of alkali metals and alkaline earth metals in Poyang Lake Basin aquatic plant, and its migration and catalytic mechanism in thermochemical conversion process are investigated by a method of combining macroscopic physical structure with microscopic chemical structure; Experimental and theoretical analysis of metal oxide reaction mechanism of the carbonation/calcination behaviors in steam addition and its catalytic function in aquatic plant gasification; The synergistic relation between metal oxide and alkali/alkaline earth metal in the aquatic plants catalytic gasification is investigated, the relation between the physical/chemical structure evolution characteristic and reduced react property of metal oxide will be studied; Based on the researches above the structure of metal oxide is modified and optimized; Finally the model of efficient biomass gasification based on the catalytic function of metal oxide will be established, which can provide scientific references and theoretic foundation for the reasonable utilization of metal oxide catalysis of exploration and avoiding a variety of related issues.

鄱阳湖流域的水生植物富含N、P、K、Ca、Mg等元素，技术程度低或者不当的生物质利用过程不仅导致系统设备的玷污、腐蚀，而且导致金属污染物再次进入食物链危害人类健康，而通过生物质催化气化可以实现高效清洁利用生物质能。因此，本项目采用宏观物理结构与微观化学结构相结合的方法研究水生植物中碱金属和碱土金属的热反应特性及其在水生植物热化学转化过程中的迁徙与催化机制，探索金属氧化物在含水蒸气条件下碳酸化/再生微观机理，分析其对水生植物气化过程的催化特性；同时揭示金属氧化物在水生植物催化气化过程中与碱/碱土金属协同作用机理，确定其在反应及再生过程中物理/化学结构的演化特征及与协同反应性衰减的关系，并基于以上研究对金属氧化物进行针对性改性以达到最优结构，最终建立基于金属氧化物催化性能的水生植物高效气化模型，为探索合理利用金属氧化物催化作用并避免各种相关问题的方法提供科学依据和理论基础。

在能源紧缺和环境保护的双重压力下，生物质能作为一种低氮、低硫以及二氧化碳零排放的清洁可再生能源，是未来能源系统的关键组成部分，也是保持能源与环境可持续和谐发展的重要因素。鄱阳湖流域的水生植物富含N、P、K、Ca、Mg等元素，技术程度低或者不当的生物质利用过程不仅导致系统设备的玷污、腐蚀，而且导致金属污染物再次进入食物链危害人类健康，而通过生物质催化气化可以实现高效清洁利用生物质能。因此。本项目研究了生物质中碱/碱土金属的热反应特性及其在生物质热化学转化过程中的转化迁徙机理，并基于化学热动力学理论进行碱/碱土金属化合物的热力学计算模拟；探索了碱/碱土金属催化剂在生物质气化过程中催化特性，以及对生物质气化过程的改善效果。同时，基于水生生物质气化过程中碱/碱土金属的析出行为特征建立了碱/碱土金属催化动力学模型，并模拟了生物质在反应过程中碱/碱土金属的特性。最后，根据生物质热反应过程中反应速率与焦颗粒孔隙表面积之间的关键因素，利用一种微元分析法求解随机微分方程，对生物质热反应过程中在非常小时间微元内有效反应面积进行了修正，建立了在化学反应控制条件下预测生物质热反应行为的修正离散随机孔模型。从而对气化系统工艺的优化控制提供合理的建议、指导，以更好地利用碱/碱土金属，为其将来的工业化生产提供必要的基础理论知识和洁净高效转化技术寻找到更有效的方法以及实际应用奠定初步基础。